Caractériser les propriétés mécaniques du bois en œuvre tout en minimisant l’impact sur la structure

How to characterize mechanical properties of timber while minimizing the impact on the structure ?

Comment caractériser les propriétés mécaniques du bois en œuvre tout en minimisant l’impact sur la structure ?

2019.2020 Ecole Centrale Nantes & Sherlock Patrimoine Romane Lavoine, Emilie Thabard & Caroline Wypychowski

Sect. I

GENERAL SUMMARY I. Aknowledgement Foreward

5 7

English part

9

French part

77

II. III. IV. References Next project topics, some sugestions

147 149

SOMMAIRE Général I. Remerciements Avant-Propos

7 9

II. Partie anglaise

11

Partie française

79

III. IV. Références Prochains sujets de projet, quelques propositions

149 151

5

Charlotte Trigance, sans qui le projet n’aurait pas eu lieu, et qui s’est montrée disponible à chaque étape du projet.

EN/ First of all, we would like to thank Erwan Verron who supported us throughout this project and who, with his wise advice, guided us in our reflections and answered our doubts.

Nous remercions aussi ceux qui nous ont aidé à la mise en œuvre de nos expériences : Yannick Benoit, Pierrick Guégan, Raphaël Langlois and Emmanuel Rozière. Nous remercions Clément Boudaud de l’école du bois et Nicola Macchioni de l’Institut of Tree and Timber of Ivalsa qui ont accordé du temps pour répondre à nos questions.

A special thanks goes to Charlotte Trigance, without whom the project would not have happened, and who was available at each stage of the project.

We also thank those who helped us to implement our experiences in Centrale Nantes : Yannick Benoit, Pierrick Guégan, Raphaël Langlois and Emmanuel Rozière. We thank Clément Boudaud, from l’Ecole du Bois and Nicola Macchioni from the Institute of Tree and Timber of Ivalsa, who allowed time to answer our questions.

Enfin nous sommes très reconnaissantes envers toute l’équipe de l’option MATEPRO (enseignants, étudiants, doctorants), qui a su constituer un cadre solide à l’étude de ce projet, et particulièrement Sébastien Comas et Bertrand Huneau qui nous ont apporté leur aide à plusieurs reprises.

Finally, we are very grateful to the whole team (teacher, students and thesis student) of the MATEPRO option, who constituted a solid framework for the study of this project, and in particular Sébastien Comas and Bertrand Huneau who helped us on several occasions.

REMERCIEMENTS FR/ Tout d’abord, nous tenions à remercier Erwan Verron qui nous a accompagné tout au long de ce projet et qui, avec ses conseils avisés, nous a guidé dans nos réflexions et répondu à nos questionnements et doutes.

Nous remercions, tout particulièrement,

7

Sect. I

Aknowledgement

Sect. I

FOREWaRD EN/ We are three architect and engineer students studying the materials and process specialization in Centrale Nantes. This project was for us an opportunity to use our architectural background and our scientific knowledge to answer a complex problematic. This is why we choose to work with Charlotte Trigance, co-founder of Sherlock Patrimoine.

This small company located in Nantes is specialized in the diagnosis of physical conditions of buildings who often belong to our architectural heritage.

AVANT-PROPOS FR/ Nous sommes trois étudiantes architectes-ingénieures suivant l’option Matériaux et Procédés dispensée à l’école Centrale Nantes. Ce projet était pour nous l’opportunité d’utiliser nos connaissances d’architecture et d’ingénierie pour répondre à une problématique complexe. C’est pourquoi nous avons choisi de travailler en partenariat avec Charlotte Trigance, co-fondatrice de Sherlock Patrimoine.

Cette entreprise nantaise est spécialisée dans le diagnostic de bâtiments historiques et patrimoniaux.

9

II

English part

SUMMARY 1.

INTRODUCTION

13

1.1.

Prerequisite for the study of wood 15

1.1.1.

Macroscopic characteristics 15

1.1.2.

Microscopic characteristics 15

1.1.3. Major mechanical properties 17

1.2.

State of the art : the diagnosis and necessary tools 21

1.2.1.

Global methods 21 a. X-Ray Waves 21 b. Ultrasonic 23 c. Electromagnetics waves 23

1.2.2. Local methods 25 a. Mechanical tests on core drilling 25 b. the Pilodyn 25 c. the Resistograph 27 d. Microscopy techniques 27 e. the Humidity meter 29 f. the Resonance frequency method 29

1.3.

Our objectives : assess the structural integrity 31

1.4.

The protocol 33

2.

METHODS

2.1.

2.2.

2.3.

2.4.

2.5.

35

On site investigation Laboratory tests 2.2.1. SEM 2.2.2. OM Resonance frequency method Tensile tests Compression tests

35 39 39 41 41 43 45

3.

Identification of the wood species

47

3.1.

3.2.

3.3.

3.4.

47 53 55 55

Results SEM Results OM Cross results : Microscopy Discussion : Microscopy techniques

Summary

Sect. II

4.

Results : Implement techniques of wood analysis on new wood

4.1.

4.2.

4.3.

4.4.

4.5.

Results of tensile tests Results compression tests Results resonance frequency method Cross results of wood analysis techniques on the fiber direction Results : Adopted techniques to characterize the framework

57 57 61 63 65 67

5.

Discussion 69

5.1.

5.2.

5.3.

Sampling method and tensile tests Compression tests General remarks

13

69 73 75

1. INTRODUCTION The analysis of timber structures (fig(1)) is a key component to succeed in preserving our architectural heritage.

However, it could be tough to analyse their physical conditions knowing that their constructions do not respect actual safety rules. This could lead professionals to take many precautions and removed pieces while they could be left, mechanically speaking. Moreover, in such type of constructions the request of the chief architect of the Historic Monuments departement is to minimize interventions. In a nutshell, on one side extensive tests using large samples can not be done so as to help diagnose the structure but on the other side the aim is to best preserve wooden structure. In this context, non-destructive and semi-destructive1 testing methods are gaining interest.

Especially Sherlock Patrimoine, the company we are working for, is a small firm. They are currently developing tools to analyse different kind of pieces and materials such as stone.

However, they still have difficulties to analyse wood lumber for all the above reasons. On this basis, how can we characterize mechanical properties of timber while minimizing the impact on the structure ? Our researches focused on the development of a protocol suitable for a structure such as Sherlock Patrimoine. This is why we try to develop a simple and effective way 1

to enable them to get an overview of the structural condition. For our study, we employ quite easy to use devices.

Moreover we use both affordable equipment and equipment that is readily accessible in Centrale Nantes.

For the future, we imagine that Sherlock Patrimoine could buy some small cheap measuring instruments. For tests using more expensive equipment such as the tensile-testing machine, we imagine they could deliver the core sample to a lab.

That’s why we first make a state-ofthe-art of non and semi-destructive techniques, in order to choose those which correspond better to our way of working. Then, we re-evaluate our objectives and make a protocol suitable to this one. Finally for each technique used we discuss our results first separately before we make a crosscomparative analysis.

Definitions p.20

Introduction

Sect. II fig(1).

Framework from Saint-Jaques church, La Planche (44140)

15

1.1. Prerequisite for the

study of wood Wood is an organic material which could be consider as a natural composite made of cellulose fibers in a matrix of lignin. All around the world we can find an uncountable number of species with different properties. This wide variety makes this study even more complicated. However we can already make a first distinction between hardwoods and softwoods. This label actually differentiates angiosperms and conifers wood.

1.1.1.

Macroscopic characteristics

3

The bark composed of different parts including the cambium.

It is a vital part of the tree since it is the area where the production of cellular tissue layers takes place.

4

The annual rings appears successively light and dark.

The spring wood are light, soft, whereas the summer wood is coloured, hard, dense, resistant.

1.1.2.

Later on this report, we will refer to three cross-section plans (fig (3)) useful for the wood study.

From the center out we discern (fig (2)) : 1

The darkest part called the heartwood.

Composed of dead cells with thick membranes and hard cells where nutrients no longer circulate which give it good mechanical properties.

2

The lightest part composed of most recent rings called the sapwood.

Composed of active cells and thin membranes. The raw sap circulates and nutrients pile up. The presence of too much sapwood is undesirable for wood construction. It could generate a considerable shrinkage.

Moreover, it contains too much nutrition which could cause fungi and insect attacks.

Microscopic characteristics

Introduction

Sect. II

4

3 2 1

fig(2).

A wood section truck

Transverse plane

LT

Longitudinal radial plane T

Longitudinal tangential plane

LR

LT

fig(3).

The three cross-section plans used for wood study

17

1.1.3.

Major mechanical properties

Wood is a heterogenous, hygroscopic, cellular and anisotropic material.

Compression test is not adjusted because the scale of the sample does not affect the strain measured.

Wood is considered as anisotrope because its properties differ depending on the direction. This anisotropy is due to the particular geometry and arrangement of its elements, mostly prolonged in the longitudinal direction.

This is why the main difference is observed with the longitudinal direction even emilie.thabard if the properties differ for each three directions (tangentiel, radial, longitudinal).

However, January 2020 after the wood is cut into lumber, it is considered as a transversely isotropic material because of the way it is sawed as shown Introduction in figure (4) A transversely isotropic   material with itsν21fibersν12aligned in the 1 − E1 − E1 0 0 0   E1 direction longitudinal is represented in     figure(4) This type of materials has a  ν21 ν23 1 − 0 0 0   − E1 E2 2   compliance given by theEmatrix (1).     − ν12 − ν23 1 0 0 0   E1 E2 E2   Sij :=compliance matrix      0 of elasticity 1 (MPa) E : modulus 0 0 0 0   G12   vν21 : Poisson’s ν12 ratio 1   − 0 0 0  −0 1 0 0 0  E1 E:1 shear E1 0 (MPa) modulus G  G12    x1 : Xin transverse plane  1 0ν23 0 radial 0 plane 0 0  ν21 1 x : X in longitudinal G23

Projet CHARLOCK

Projet CHARLOCK emilie.thabard January 2020

n

− E1

0 0 0 Ex2 : X in− E2 longitudinal tangential plane 3 2



(1)

 1 1 2(1 + ν23 ) 1  = = = (2) G23 E2 G121 G13  ν12 ν 23 is also a heterogeneous material 0 0 0 − E1 − Wood Eto2 determine : E1 , E2 , ν12 , ν23 , G E2 We have 5 coefficients 12 which presents a lot of singularities and   defects as knots, decade areas...

150cracks, 0,2 1, 1, 3] if h ≤ 150mm(3) in[( of )having h = M0 0 in the 0  0 0Thekprobability h G12 defects piece of wood studied increases with its  (4) kh = 1 otherwise  size. That’s why Eurocode 5 [7] 1 suggests  0 0using equation 0 0 0  (3) to adjust G12 fk and (4)  = k .k . for tensile and flexure (5) f mod hand bending resistance value dof tensile  γM 1 of the sample.

0 0depending0on the scale 0 f0k G23 for compression (6) fd = kmod . γM 2(1in + ν23 1With fd the1 resistance1calculated ) fk Introduction MPa and the resistance for big scale = = MPa =

G12

G13

G23

E2

(1)

(2)

Sect. II

Longitudinal direction

LT T

Projet CHARLOCK Projet L CHARLOCK R

Transversal direction

emilie.thabard emilie.thabard

Projet CHARLOCK Projet CHARLOCK January 2020 2020 January Projet CHARLOCK

emilie.thabard emilie.thabard emilie.thabard Projet CHARLOCK ProjetJanuary CHARLOCK 2020 January 2020 Introduction 1 Introduction     January 2020 emilie.thabard emilie.thabard ν21 1 νν21 ν12 1 12 − 00 00  0 − −0  fig(4).

1 1

1

Blueprint of the transition from a model orthotrope to a model transversaly isotropic



    23 21 23 21   1 21 22 2  ν ν 1 21 12 21 12  0  0   E  − E  − E 0 E1 0 0  −0E1 −  1   − ν112 −νν12  1 23     Eν11231 0 0 0 0 0  0   E1 EE ν221 ν 1 12 −EE   E  2 2 12   − − 0 0 0    S = (1)   S =  ν ν 1 E E E ν ν 1 ij 23 21 ij 1 1 1 21 23  0  0   E  − E 1  −Introduction Introduction 02 0 E2 0 0  −  E1  E E 2 2  1  1 1   00  001  0   0       −0ν21 ν23 0 G0   G12   12   − 0 0 0         ν ν 1 E E E ν ν 1 12 23 1 2 2 12 23   − 1E  − ν21 ν120  ν21 − ν12 1−0 0 0  0 0  0 E  0 0  E01 1  − 0E 21 E 0E2− E0 11E2 −0E11  E21 −E E 1 1  0 0 0 (1) Sij =  0ν23 01 G120 0    Sij =   ν12   G  12   0 01  0   − E1 −E2   1 E 2      S− 0ν= ν23  ν23 ν21 0 10 0 1   0 0   21 0 0 0  0 012 E20 −01EG2 12  01 0  ij 0E1  E2  −0E2− EG  10  0 0 0 0 0 0   G23    G23  1     01   0 0  0 0    1 G 12   − 0ν12  − 0ν23  ν1200 ν23 0 1 0 1 0  0 0  0 0 −G 012 02  2 − E2(1  0G12 0  1E1  11E2 1E E2(1  11 + ν 2 ) +E  1 ν ) 23 23      S = (1) Sij =  1    ij = = 0 = = 0 = 0  0  1 (2)  0=  1 G 12 G G E G G G G  12 13 23 2 0 0 E2 0  1 0  123 12 13 0 0 0  0 0 G023  G 0 0 G12 00  0  0 0G23 0 12  1 12 We have coefficients to determine : 0E1 , E:20,Eν112 , ν20,23ν,12G,012ν We5 have 5 to ,E 23 , G   coefficients 0 determine  10 10 10 + 0ν23 +Gν23 ) 1 110 0 2(1 11) 0 02(1  =  0 23 G12 (2)  = = = = = G12 150 150  E2 G113in[( G 23 )0,2 ,G kh  M12 1,12 h13 1233] 1≤ ν23 ) )0,2if,G kin[( 1, 3]E150mm(3) if2 G h2(1 ≤+ 150mm(3)  =G h =M h = h 0 =0 0 =00 01E122 , ν12 0 , ν230, G12G123 We have 5 coefficients determine E1determine ,E , ν12 , :ν23 ,1G,G We have0to 5 coefficients to EE G:13 G223 G012 223 (4) kh = 1 kotherwise = 1 otherwise h have 5 coefficients determine WeWe have 5 coefficients totodetermine : : E1 , E2 , ν12 , ν23 , G12 150 150 0,2 1 1 1 2(1 + ν 1 ) 1 2(1 + ν 1 ) 0,2 23 kh = M in[( 1, 3] if h=≤) 150mm(3) =, M in[( , 23 1,=3] if h = ≤ 150mm(3) = hkh) = = (2) h E G213 G23 E2 G13fk 150 G23fG G12 k 12 0,2 .kM . for tensile and flexure (5) fd = kkmod = k .k . for tensile and flexure fhd = in[( ,k1, = 3] if h ≤ 150mm(3) mod h ) = k5hhcoefficients γ h: γEM ,to M1 otherwise We have G We have 5 coefficients to determine Ehdetermine , ν1 ,otherwise ν , :GE , E , ν , ν ,(4) E1

E 11

E11

E E    E Introduction 1 Introduction    January 2020 January 2020    ν ν 1  00 00   0  − E  −EνE  −E1E −0νE 1 Introduction   1  ν ν 1

1

2

12

23

121

2

12

23

12

(1) 

    (1)       (2)          (2) (4)

(1)

(1)

(2)

(2) (5)

(4)

(4) fk kh =f1k otherwise 0,2 = k150 .0,2 for compression (6) fdin[( .M for≤f150 compression (6) fd )f= kk k150mm(3) mod mod ) k = in[( , 1, 3] if h ≤ 150mm(3) khfd==M , 1, 3] if h h kmod .khh . fdγM forkmod tensile flexure = .kh . and for tensile and flexure (5) (5) γM γM γMh fk calculated and the1and resistance for big for scale With fWith .kotherwise . in for tensile flexure (5) fd = MPa fotherwise resistance big scale fd the resistance d the resistance mod hMPa = (4) kfhk and = 1in (4) khkcalculated k the γM fk fk in MPain MPa compression (6) fd = kmod . kmod . for compression (6) ffor d = γMthe resistance modified factor.

It takefIt the duration of load,ofdepending of kmod the M the resistance modified load, depending of kmod k take fk duration fγk factor. = for kour . will for compression = kmod .kfwill tensile flexure fmod finto tensile and flexure d h .in d = mod hf.d case ; kmod = the With humidity into account.

In.k our we neglect kfor ; k1. =(5) 1. for(6) thefdhumidity case we neglect mod mod the resistance calculated in MPa and the resistance for big scale the resistance calculated MPa and fk and the resistance big scale (5) With fdkaccount. γM kγ γIn M M γMMPa : the securitysecurity coefficient.

It consider the reliability of wood γM partial : the partial coefficient.

It19consider the reliability of for wood for in in MPa resistance calculated in it MPa and f1.k the resistance for big scale With fSo d the = structure calcul. in our case we will neglect ; γ f f = 1. structure calcul.

So in our case we will neglect it ; γ M k k M modified take the duration ofthe load, depending of depending of (6) kmod theinresistance resistance It takefor duration of load, compression ffactor. kmodmodified . It for compression (6) fd = factor.

MPakmod the d = kmod . γkMmod γM weIn kmod = k1.mod ; kmod = 1. the humidity into account. In our case will the humidity into account. ourneglect case we will; neglect

G230 23 kh = M in[( =) , 1,= 3] if h = ≤ 150mm(3) 0E2 G12 0  (2)  h1 G 1 G 2(1  M in[( 150 1)0,2G + ν ) E k = , 1, 3] if h ≤ 150mm(3) 23 12 13 23 2 1 h e : E1 , E02 , ν12 , 0ν23 , G12  0 0 0 = = = (2) h otherwise (4) kh13= 1 G 1 G G12G23 to 0 0 0 23 : E1 ,E We determine E22 , ν12 , ν23 , G12 G23 have 5 coefficients (4) kh = 1 otherwise 1 We have 1 5 coefficients 2(1 + ν23 ) to determine : E1 , E2 , ν12 , ν23 , G12 , 1, 3] if 1h ≤ 150mm(3) = + ν23 )= = (2) f150 1 2(1 k )0,2 khk= M.kin[( , 1, 3] and if h ≤ 150mm(3) G G Ef2d = G for tensile flexure (5) = =12 (2) 13 23 mod h.

150γM f(4) h k G23 E2 0,2 otherwise ) k = M in[( , 1, 3] if h ≤ 150mm(3) = k .k . for tensile and flexure (5) f as in humidity level.

Then, scale efficients to determine : Ed1 , factor E2mod , νh12 ,khνh γ23is, Gused 12h (4) kh = 1 otherwise M ne : E1 , E2 , νequation 12 , ν23 , G12 fk 5 Finally, wood properties varie from one (5) and (6) from Eurocode . for compression (6) fd = kmod (4) 150 0,2 fk kh =γ1M otherwise 1995[7] species to another,(6)especially from for andEN flexure (5) ) , 1, 3]: if h k tensile = M in[( ≤=150mm(3) k . for compression f 2 h d mod f k h , 1, 3] if h ≤ 150mm(3) = . MPa for resinous tensile flexure (5) fdγcalculated M kmod .khin deciduous It is shown and fk and thetoresistance fortree. big scale With fd the resistance fk γ M = 1 otherwise (4)resistance k h = kmod .k . for tensile and flexure (5) fdcalculated, on table (1). : the resistance in Mpa. fd MPa the resistance calculated in MPa and f the for big scale With in h k1 otherwise k (4) γM for compression (6) fk the duration of load, depending of in MPa kmod: the modified factor.factor.

It take theresistance resistance modified M for compression (6) f = kmod . fIt k takes thef.k resistance modified factor.

It dtake the of load, depending ; kmod =of1. the into account.

In our we neglect kmod fload, γMwill(5) the duration ofcase k duration = and kmod . humidity for tensile and flexure fdkmod in MPa resistance for big scale k hthe = k . for compression (6) f d mod γ:into k reliability = 1. humidity account.

In our we will neglect kmod ; the for the tensile and (5) γMflexure the partial security coefficient.

It inconsider of wood forscale M γMinto depending of the case humidity resistance calculated MPa and mod fk the resistance for big With fd the M γ : the partial security coefficient.

It consider the reliability of wood for = 1. structure calcul.

So in our case we will neglect it ; γ M M account.

Inresistance our case we will neglect t take the duration of in MPa fkof calculated in MPa and fk the resistance for big scale With fload, d thedepending = 1. calcul. incompression our=case we will neglect it ; γM (6) = kmod .kk So for fd neglect fek westructure ; ; k 1. will k the resistance modified factor. It take the duration of load, depending of in MPa mod mod γmod mod for compression (6) M .M It considerkthe reliability of into wood for factor. kmod = 1. of account.

In our neglectofkload, thehumidity resistance modified It case take we thewill duration mod ; depending modthe esistance calculated in MPa and fk the resistance for1 big scale = 1. llinneglect it ; γ γ : the partial security coefficient.

It consider the reliability humidity intofor account.

In our in case we will neglect kmod ; kmod = 1.of wood for Mresistance : the resistance for big scale MPa. MPa and the fkMthe big scale 1 structure calcul.

So in our case we neglect it γM :: the the partial partial security security coefficient. coefficient. will It the; γreliability of wood for M = 1.

It consider ce modified factor.

It take the duration of load, depending of = 1. structure calcul.

So in our case we will neglect it ; γ It take the duration of load, depending of M considers the reliability of wood for o account. In our case we will neglect kmod ; kmod = 1.

1 we will neglect structure = 1.the ase kmodIt; kconsider mod calcul.

So reliability in our case l security coefficient. of we wood for 1 t.

It consider the reliability of wood for it ;; γγMM==1.1.

So in our case we will will neglect neglect it 1 will neglect it ; γM = 1.

1

Finally we can write equations (7) and 1 (8).

Moreover, the wood is a hygroscopic material which designates a material that readily attracts water from its surroundings. The humidity level, included between [0% ; 30%], affects wood properties. Above 30% of humidity, the wood is defined as water saturated.

It keeps the same mechanical properties no matter how the humidity increases.

All the samples we studied (new wood, and framework) have a humidity level included in [0% ; 30%]. As properties change with the humidity level, it is important to compare data taken from a same rate. As it is impossible to control the humidity level, we will use instead equations which correlate the humidity level and a property.

Equations (9) to (15) developed by Guitard in 1987 [1] relie elasticity modulus and shear modulus with

Introduction

kh = M in[(

2

12

23

12

150 0,2 ) , 1, 3] if h ≤ 150mm(3) h kh = 1 otherwise

fd = kmod .kh .

(4)

fk for tensile and flexure γM

fd = kmod .

Sect. II

1

(5)

fk for compression γM

(6)

With fd the resistance calculated in MPa and fk the resistance for big scale in MPa kmod the resistance modified factor. It take the duration of load, depending of ; kmod = 1. the humidity into account. our case we will neglect kmodtests σd = kh σIn (7) measured for tensile and bending γM : the partial security coefficient. It consider the reliability of wood for structure calcul. So in our case we will neglect it ; γM = 1. σd = σmeasured for compression tests σd = kh σmeasured for tensile and bending tests

(8) (7)

ELH = EL12 [11− 0, 015(H − 12)] σd = σmeasured for compression tests

(9) (8)

H 12 ER = ER [1 − 0, 030(H − 12)] ELH = EL12 [1 − 0, 015(H − 12)]

(10) (9)

ETH = ET12 [1 − 0, 030(H − 12)] H 12 ER = ER [1 − 0, 030(H − 12)]

(11) (10)

GT RH = ET R12 [1 − 0, 030(H − 12)] ETH = ET12 [1 − 0, 030(H − 12)]

(12) (11)

GT LH = ET L12 [1 − 0, 030(H − 12)] GT RH = ET R12 [1 − 0, 030(H − 12)]

(13) (12)

GL RH = EL R12 [1 − 0, 030(H − 12)] GT LH = ET L12 [1 − 0, 030(H − 12)]

(14) (13)

(1 − α)(H − H0 ) ) ρH =HρH0 (1 +12 GL R = EL R [1 − 0,100 030(H − 12)]

Pine (resinous wood) Oak (deciduous wood)

(15) (14)

M L3 6 (1 − α)(H −10H0 ) M OEGR = 3, 78568 (16) ) (15) ρH = ρH0 (1 + bh3 R2 100 2.106 M L3 6 (17) R= M OEGR = 3,F78568 (16) − R 3 2 10 bh R Rm (N.mm-2) Rm (N.mm-2) F Density (18) (for tensile) P = 2.10E6L (MPa) (for compression) (17) R = S0 F −R 0,45 - 0,55

10 000 - 14 500

P = 0,56 - 0,70

F S0

80 - 93

40 - 52

(18)

10 500 - 14 500

table(1). Main mechanical properties of a pine and an oak.

21

88 - 110

52 - 64

1.2. State of the art : the

diagnosis and neces sary tools More precisely, in this part we are going to present an overview of both global and local methods used to analyse the wood. Some of them are techniques used for in-situ analysis while others must be conducted in laboratory.

Non-destructive testing (NDT) covers a group of techniques used to evaluate the properties of materials, structures, products without causing damage to the units being inspected under the test procedure.

Semi-destructive testing (SDT) covers a group of techniques which are non-destructive for the structure analysed, but destructive for the extracted sample. The integrity of the structure is preserved while allowing to characterize other mechanical properties such as the elasticity modulus.

1.2.1.

Global methods

member with a high accurate resolution.

A mobile scanner which uses the X ray technology may be advisable to make in-situ assessment of existing structures. The technology works thanks to the variations of apparent density values that we can observe in the wood, because of its heterogeneity. Indeed, the higher the density of the material is, the more attenuated the X-rays are.

In this way, it provides the possibility to make relative measurement of density and detect internal defects of the wood due to its initial natural structure or to its deterioration over time. In his life a wood structure member is affected by mechanical load but also moisture and attacks of fungis and insects. Moreover the X-ray technology allows to identify linking elements made of other material such as nail, pin, paste, sealant (fig(5)).

Even if this technology seems advantageous and convenient regarding the interpretation of results, it is not the case for its implementation, principally when it is used in-situ. To obtain accurate visualisation, the source must have a specific position against what we want to observe. Moreover, because of the X rays health risks, a safety zone is mandatory making the measurements more difficult.

Global methods allow the inspection of the whole item in a single operation. We have highlighted three of them below. a.

X-Ray Waves

X-ray is a technology which allows you to visualize the structural wood

Introduction

Ainsi, cela nous permet de visualiser :

- -Des Desélements élementsd’assemblages d’assemblages(ex (ex: bois-bois, : bois-bois,bois-métal...) bois-métal...)

fig(5).

Photographs tooked with X-ray Waves which show defects and assembly elements

23

Sect. II

- -Des Desdéfauts défautsinternes internesdu dubois bois(fissure, (fissure,trous, trous,noeuds, noeuds,intervales intervales entre entreles lescernes) cernes)

b.

Ultrasonic

The ultrasonic stress waves can provides information on the internal condition of wood members and on their residual load-carrying capacity. This technology is a visualisation tool based on variation of wavelength which cross the material (fig(6)). As the X-rays, it allows a view of the internal defects. The moisture content can also be detected. Moreover, the stress wave velocity is related to the elastic properties of timber, knowing its density.

lack of information : simplicity to use it in-situ, data exploitations, materials price and results precision.

Thus, the ultrasonic allows to obtain the modulus of elasticity for different fibre directions. However, this tool is employed under specific conditions making its use on existing structure complex (fig(7)). c.

Electromagnetics waves

Electronics waves is a method using wood anisotropy and its microstructure.

A laser is projected on wood surface (fig(8)). The light, first diffused in the wood goes back up to the surface and create some elliptic light tasks (fig(9)).

A linear camera, placed alongside the surface, is capturing data (size and orientation of light tasks). Then data are used by specialized software in order to measure the density and find singularities like knots positions, areas of compressed wood or fungal attacks.

It is a complete technique : you only need a laser and a linear camera to gather lots of information. Nevertheless, the use of laser is not widespread so we

Introduction

Sect. II

M Microsecond timer

fig(6).

Ultrasonic waves functioning

fig(7).

Ultrasonic waves transducer

fig(8).

Laser projected on wood surface

fig(9).

Photograph of elliptic light tasks on wood surface

25

1.2.2. Local methods

b.

Local methods are techniques which are used to detect anomalies or to get local information. To characterize the whole structure, those techniques should be repeated several times in different areas.

The Pilodyn (fig (13)) is a non-destructive technique developed so as to determine the density of dead and living wood. It is a penetration testing tool (fig (14)). A parallel is made between the insertion depth of a needle into the wood and the energy supplied to impact it. The depth of the needle indicated on the tool is inversely proportional to the density of the wood.

a.

Mechanical tests on core drilling samples

The core drilling is a basic semidestructive technique : the first step is to realize drill cores on the lumber. Those drill cores are little enough (diameter of 5mm, and length of 50mm) to be considered as less dangerous for the structure than knots. Those techniques required appropriate equipment to drill at a constant speed and to avoid risks to break samples (fig (10) and fig (11)). Then we can realize some tests : compression, tensile, flexure and find mechanical properties (Modulus of Elasticity depending of directions of the applied load compared to fiber direction) (fig(12)). The most widespread test, applicable on core sample, is the compression test because there are special jaws, created for cores 5 mm in diameters. With these kind of samples on which we can measure the volume and the mass, we may also have an idea of the local density of the wood.

the Pilodyn

This tool is very easy to manipulate, affordable and could be consider as a non-destructive method. However the Pylodin only allows the assess of the superficial state of the wood (<40mm) and gives a measure of the density which is relative.

Information extracted from the sample reflect only local areas. However in some cases, only one location could be interesting to analyse, such as a middle of a beam, a base of a column…

Introduction

Sect. II fig(10).

Hand auger

fig(11). A core drill extracted thanks to a hand auger

fig(12).

Compression (left) and tensile (right) tests

40 40

30

20

10

0

0

27

10

fig(14).

A pilodyn

20 20

fig(13).

10

30

40

30

0

40

30

20

10

0

Density measured thanks to a pilodyn

c.

the Resistograph

The Resistograph drill is another method used so as to determine the density of the wood. A drilling machine is driving a small needle (<3mm) into the wood at a constant excavation and rotation speed (fig(15)). The power consumption of the machine is measured so as to estimate the mechanical drill resistance. Then this measure is correlated with the density of the wood. Moreover, the variation of the density allows the identification of internal defects (decays areas, cracks, fungi and insect attacks…) (fig(16)). This method is also used to determine real dimensions of structural sections when they are not easily accessible or to evaluate the residual resistant section by subtracting damaged areas.

This method gives more reliable information than the ones concentrated on the superficial layers. It provides a fast, inexpensive and barely non destructive way to estimate the wood quality. However several drilling measurements are needed in different directions and it could be difficult to analyze the results which give only local information depending on the moisture content, the wooden species... d.

odor, weight, structure… But those properties could be modified in historic wood and only a few species are easy to recognize with naked eyes or a simple magnifier. This is why observing the microstructure thanks to a Scanning Electron Microscopy (SEM) or Optical Microscopy (OM) could really help differentiate different types of wood.

The SEM is a fast imaging technique that allows the observation of the surface of massive conductive samples. This method enables a large magnification range (x10 to x 30 000) with a great depth of field. However, non-conductive and biological samples could be problematic and require the use of a low vacuum mode or to be prepared and metallized before being observed.

The OM is a fast imaging technique using visible light. The magnification range is from x20 to x 6000. This easy to use method enables a quick observation of the sample. Moreover, the OM wood database is more exhaustive. Unlike the SEM, it does not allow to observe the topography of sample.

Microscopy techniques

Mechanical properties differ between wooden species. This is why it is really important to recognize it before analysing the structure. We can often determine it thanks to its macroscopic characteristics such as his color, gloss,

Introduction

Sect. II fig(15).

Density measured thanks to a resistograph

Crossing a crack with decay

fig(16).

Resistograph functioning

29

Along crack

e.

the Humidity meter

The properties of the wood vary strongly with its moisture content. This is why it is really important to get this information when we analyse some samples. The moisture content is the proportion of water relatively to the wooden proportion.

The tool is easy to use. By sinking the two metallic needles of the humidity meter, the low electric current measures the humidity percentage (fig(17)). It gives a local estimation of the moisture content. However, some treatments in the wooden surface can influence the results. f. the Resonance frequency method The resonance frequency method is a reproducible method used to determine the eigenfrequency of the wood, which can be measured by a GrindoSonic (fig(18)). A vibration is manually carried out on the wood and the Grindosonic analyses the natural period of the transient vibration resulting from this disturbance (fig(19)). The instrument transforms the incoming signal received from this natural frequency in an electric current of the same frequency and relative amplitude. [3] A simple relation provides the characteristic dynamic modulus (MOEGR) (equations (16) and (17)).

that it can not be made directly into the wood frame and a rather large sample is required (10mm x 10mm x 300mm at least).

The study of those non and semidestructive techniques enables us to eliminate the inappropriate techniques to our means. Thus, we don’t choose Ultrasonic, because of a complex implementation and expensive cost, as well as X-Ray Waves, particularly for health reasons. Besides, we eliminate electronic waves because of a lack of information. Then all the local techniques studied are appropriate, but unfortunately the Pilodyn and the Resistograph have oversized delivery time compared to the time allowed to our work. Nevertheless, it would have been interesting to use them, considering high level of information delivered and the ease of use. Moreover, we will not use compression tests using special jaws mentioned above because we could not get them.

This method is really easy and fast to realize. However, we can not consider it as a non-destructive test knowing

Introduction

Sect. II fig(17).

The humidity measured thanks to a humidity meter

fig(18).

kh σmeasured σd = kfor tensile and for bending tensile and tests bending tests (7) h σmeasured

d

(7)

σd =for = σmeasured σmeasured compression for compression tests tests

(8)

ELH = EL12 [1E−LH0,=015(H EL12 [1− −12)] 0, 015(H − 12)]

(9)shock

(8)

shock

(9)

H 12 H 12 ER = ER [1E−R 0,=030(H ER [1− −12)] 0, 030(H − 12)]

(10)

(10)

ETH = ET12 [1E−TH0,=030(H ET12 [1− −12)] 0, 030(H − 12)]

(11)

(11)

H 12 GT RH = ETGRT12 R[1 − = 0, E030(H −12)] 0, 030(H − 12)] T R [1−

(12)

(12)

H 12 − =0,E030(H −12)] 0, 030(H − 12)] GT LH = ETGLT12L[1 T L [1−

(13)

(13)

H 12 GL RH = ELGRL12 R[1 − =0, E030(H −12)] 0, 030(H − 12)] L R [1−

(14)

(14)

(1 − α)(H −(1H− 0 )α)(H − H0 ) ) ) + = ρH0 (1 + ρH = ρH0 (1ρH 100 100

(15)

M L3 6 M L3 6 M OEGR = 3, M78568 OEGR =3 3,278568 10 10 bh R bh3 R2

(16)

fig(19).

R=

F S0

white point white point

GrindoSonic functioning : frequency taken in fiber direction

2.106 2.106 R= F −R F −R

P =

The GrindoSonic machine

P =

F S0

(15)

M : masse in g L (16) : lenght in mm b : width in mm h :(17) height in mm F : frequency measured in Hz

(17) (18)

(18)

31

1.3. Our objectives : assess

the structural integrity At the beginning of this project, our first goal was to compare the properties and characteristics of a new wood, not in place in a structure, and a wood of an old frame. We wanted to determine the evolution of wood during time and subject to mechanical loads. But, considering the techniques we had, we took a fresh look on the project and we refreshed our objectives.

Once those tests are validated, our second goal is to characterize the wood lumber by filling the compliance matrix of the analysed wood. Considering the wood can be regarded as a transversely isotropic material, we have to find the elastic modulus and Poisson’s ratio with the grain and those perpendicular to the fiber. A discussion will be made to evaluate the potential loss of mechanical properties.

Thus, our first goal is to estimate when selected techniques are workable on lumber. Knowing that wood properties vary from one species to another, our first objective is to determine the wood specie. To this end, we use both SEM and OM techniques.Then, we assume that we could realize tensile tests on small core drilling extracted from the wood lumber.

Thie tests would allow to estimate the radial modulus of elasticity. To evaluate the relevance of our hypothesis we first decide to do tensile test in the fiber direction on new wood. Those tests would give us a module which is correlable with the radial modulus of elasticity. Then we choose two other techniques to compare the longitudinal elasticity module of the same wood and validate the tensile test. We select the compression test and the GrindoSonic based on acoustic waves. Then, if the techniques work for several tests in the same conditions, our second goal is to compare our results with reference tables. Indeed, the scale effect and the moisture content have a significant impact on the wood properties.

Introduction

33 Sect. II

1.4. The protocol

4.

To this end, we develop a protocol using the tests we previously selected. We first analyse each method separately before combining the results and discuss them.

1.

2.

5.

Tensile tests on a sample of new wood • Make core samples on that wood • Make tensile tests in two directions (in the fiber direction and radial direction) • Validate the test method, depending on its reproducibility

3.

• Make rectangular samples on that wood • Compare results with a database • Validate the test method, depending on its reproducibility

Determination of the church timber species • Take of a sample collection (in situ) • Determine the wood thanks to the SEM by comparison with database (in laboratory) • Determine the wood thanks to the MO by comparison with database (in laboratory) • Validate and to compare those identifications methods

Grindosonic measures on a sample of a new wood

6.

Compression tests on a sample of new wood • Make core samples on that wood • Make compression tests in the fiber direction • Validate the test method, depending on its reproducibility

Introduction

Discussion about the relevance of realizing tensile tests with the previous conditions • Integrate humidity coefficients and scales factor of the study sample • Compare the results with other tests realized • Compare with a wood database • Validate the tensile test method for our study • Determine the domain and conditions of validity

Tensile tests on the church frame (if the tests are validated) • Make a sample collection in the church • Determine elasticity modulus • Compare with results of new wood • Discuss the state of the church frame

2.

4.

3.

6.

35

Sect. II

1.

2. METHODS In this part, we are going to explain, for each selected techniques, the material we used and our detailed approach.

2.1. In situ investigation This step of the protocol is mostly based on ‘common sense’ and experience of the professional workers. Here, the protocole is applied to a framework of a church located in La Planche (44140) (figure (20), (21) and (22)), a little village in the south of Nantes. All the following documents are related to the site and this church.

• • • • •

Framework plans Camera Distance measuring device Coretax Haglöf hand auger Moisture meter DampFinder Compact, reference Laserliner 082.015A • Sampling containers • Wood cork 1

Make researches by reading archives and interviewing involved persons in order to get more information which could orientate operations on site (plans, renovations work, wood species, …)

The neo-gothic chuch was built in 1884.

This church has a high nave, a bell tower and a transept. In 1891, the chuch clock and the carillon were installed. Then, in 1931, Pierre Lemasson created the frescoes for the church. Finally, in 2003, the church get a pipe organ.

Methods

Sect. II fig(20). Saint-Jacques church from town hall square

fig(21).

fig(22).

Saint-Jacques church framework

37

Saint-Jacques church nave

2

3 4

5

6

7

Identify the study areas (fig(23)) - easily accessible areas (safe areas, good working conditions) - good surface quality of the wood (damaged surfaces do not permit the realisation of core sampling using the hand auger) Locate those areas in the plan and do a photograph report (fig(24)) Realize 3 good drill cores in each selected area with (fig(25)): - a constant section - a minimum length of 50mm for tensile testing machine used Determine 3 moisture content measuring in each area (fig(26)) - calculate the average for a higher accuracy Place the wood cork so as to not affect the structural capacity (humidity, fungi, insects weaknesses) (fig(27)).

Realize pictures of each sample before making the mechanical tests (fig(28)).

Methods

Sect. II fig(23).

Visual inspection

fig(24).

Site survey

fig(25).

Extraction

fig(26).

Moisture content measuring

fig(27).

Core sampling and gap filler

fig(28).

Specimen collection

39

2.2. Laboratory tests

mode. However the images could be a bit dark and low contrasted.

2.2.1. Scanning Electron Microscopy (SEM)

1

•

JEOL JSM-6060LA Scanning Electron Microscope • Some samples to analyse

When we observe, through conventional setting, low conductive materials such as wood, the sample is subject to a high vacuum. The image is saturated (too shiny) because of the accumulation of electrons on the surface of the object which are not evacuated. This lead to a highlighting which impedes observation. To analyse those kind of samples we can as well use both method :

2 3 4 5

Metalize the samples The goal is to cover the sample with a very thin layer of metal, it could be done with a gold cathode sputtering. The metalization help reducing the phenomenon of electrons accumulation.

Use of the low vacuum mode To avoid this preparation we decide to use the low vacuum mode. Under a lower vacuum (1-100Pa), gas molecules still present enable the evacuation of the electrons. The observation is possible thanks to the back-scattered electron detector which is available in this

Methods

Deposit the samples into the stage (fig (29)) - Choose different samples oriented in different directions - Use a piece of graphite tape to improve the conductivity and maintain the samples Set the low vacuum mode (60 Pa) Choose the voltage (20 V) Adjust the SEM (contrast, brightness, magnification, focus...)

Polish with 3 different discs (120 grains.cm-2, 320 grains.cm-2, 500 grains.cm-2) If the objective was to see the defects of the wood this would have been the good method.

However it is difficult to discern the microstructure of the wood because of the presence of many lines due to the cut. (Unfortunately, we did not sand the samples, so we get unworkable MEB pictures.)

Thanks to this preparation it is easier to observe the structure of the wood even if we still observe unwanted lines due to the polishing. Another negative aspect is that it could erase some surfaces information of the wood.

Sect. II a

g

fig(29). a b c d e f g h i j

b

c

d

e

f

h

i

j

Different sample place on the stage

oak, longitudinal radial section framework wood sample, longitudinal radial section idem framework wood sample, longitudinal tangential section idem graphite tape poplar, transversal section poplar, longitudinal radial section poplar, longitudinal radial section pin, longitudinal radial section

Oak poplar and pin (a, g, h, i and j) are known species used to help identify the wood present in the church.

41

2.2.2. Optical Microscopy (OM) • •

It enables the correlation of result despite sample scale.

Optika Italy reference B-500 Some samples to analyse

1 2

1

2

3

Prepare the sample - If the wood is too dry, let it boil during one hour in water. It

will enable an easier cut.(fig (30))

- Cut the sample into plane slices - Use paraffin to level the sur face of the wood sample if ne cessary Deposit the samples into the stage (Choose different samples oriented in different directions) Adjust the OM - Set the magnification starting from the lowest - Adjust the light and contrast

2.3. Resonance frequency method • •

•

• •

GrindoSonic J.W Lemmens, reference MK5.

Moisture meter DampFinder Compact, reference Laserliner 082.015A Weighing scales Radwag reference PS 6100.X2.M (precision of 10-2 g) Calliper Mitutoyo reference CD-20DC (precision of 10-6 m) Rectangular uniform samples (without knots) with different sizes : 20mm x 20mm x 300mm and 10mm x 10mm x 300mm.

3

4

Methods

Measure and weigh the sample Measure the axial bending resonance frequency is made as shown in figures (18), (19) and (31).

- Dispose your bar-shaped wood sample on a foam stand - The shock is applied perpendicular to the sample and tangentially to the growth rings in the middle of the sample (fig(24)).

- In each sample, make the average of seven frequence readings (kHz) excluding anomalous measures or too far from the fundamental frequency To assure a good precision of results, we advice to measure the axial bending resonance frequency by two different technicians. This way frequencies are independent of the way the technician shocks the sample, and the way he selects values.

Determine the elasticity module using equations (16) and (17). For sample 10mm x 10mm x 300mm, apply also the factor Kh = 1,3 (equation (3)) Compare the results

Sect. II fig(30).

Samples boiled before observation

fig(31).

Romane using the GrindoSonic to determine frenquency for transverse plane

43

2.4. Tensile tests • • •

•

• •

1 2 3

4 5 6

7 7 8

9

Tensile machine Instron reference 5584 equipped of V jaws Instron Bluehill software data acquisitions Moisture meter DampFinder Compact, reference Laserliner 082.015A Weighing scales Radwag reference PS 6100.X2.M (precision of 10-2 g) Calliper Mitutoyo reference CD-20DC (precision of 10-6 m) Core drillings (5mm diameter and 70mm long)

10 11 12

Measure and weigh the sample Set the test parameters Set the load : a very high value (1000N) so as to stop manually the test Set the speed : a low speed (1mm. min-1) Set the number of acquisitions points (10points.s-1) Set the output values - extensometer displacement - deformation - load - time Tare the load Put the sample into the jaws - tighten sufficiently to avoid slippage - make sure not to crush the wood - check on to keep an effective minimal distance of 20 mm between the jaws and one of 5mm into the jaws

Methods

Place the extensometer on the sample (fig(32)).

- check that the two knives are touching the sample and maintained thanks to the elastics - remove the needle which maintains the calibrated distance Tare the deformation Start the test Stop manually the test when : - enough information are captured - if the sample is slipping

Sect. II fig(32).

A core drill put into V jaws with the extensometre placed

45

2.5. Compression tests •

• •

•

• •

1 2

3

4

Traction machine Instron reference 5584 equipped of plate tray Instron Bluehill software data acquisitions Moisture meter DampFinder Compact, reference Laserliner 082.015A Weighing scales Radwag reference PS 6100.X2.M (precision of 10-2 g) Calliper Mitutoyo reference CD-20DC (precision of 10-6 m) Rectangular samples (without knots) with a size of 20mm x 20mm x 50mm

5 6 7 8 9

Measure and weigh the sample Set parameters for the accomodation step : - Set the load : -400 N at 200 N.min-1 - Set the unload : 200 N at 200 N.min-1 - Set the speed : a low speed (0,6 mm.min-1) - Do 3 repetitions This repetition of load and unload enables to level the surface in contact with the flat bed. Thanks to the parallelism of contact surfaces, the strain is uniformly applied.

Set parameters for the test : - Set the speed : a low speed (0,6mm.min-1) - Set the stretch : stretchmax = 20 mm - Set the number of acquisi tions points (1 points.s-1)

Methods

Set the output values - sleeper displacement - load - time Place the sample at the center of the lower flat bed (fig(33)) Tare the load Go down the higher flat bed until it barely touch the sample Tare the deformation Stop manually the test when : - enough information are captured - sample starts to crack

Sect. II fig(33).

A rectangular pin sample at the beginning of the compression test

47

3. Identification of the wood species 3.1. SEM Results We make two different tests : with and without sample preparation. We compare the images of the framework’s wood with reference images of hardwood and softwood tree (figures (34) and (35)).

On the longitudinal radial plane, we find similarities between the framework’s sample and the spruce sample. Indeed we observe tracheids line side by side easily recognizable thanks to their orientation in the plan, their relief and hollows. Furthermore we see intercellular holes which enable connexion between tracheids. They can only be observed in the longitudinal direction (figures (36) and (37)). In the unknown sample, we observe the same geometry and dimensions as the spruce. It is probably the same or a similar wood variety (figures (38) and (39)).

Identification of the wood species

2 1

Framework’s wood (polished)

1

Spruce new wood (polished) fig(34).

Sketch of wood cut on the longitudinal radial plane

fig(35).

Samples observed on the longitudinal radial plane

1 Spruce new wood (polished) 1

2

fig(36).

2

SEM photograph, x120, 20kV

fig(37).

SEM photograph, x850, 20kV

2 Framework’s wood (polished) 2

2

1

fig(38).

SEM photograph, x140, 20kV

fig(39).

1 Tracheid 2 Intercellular passage

49

SEM photograph, x900, 20kV

Sect. II

2

On the transversal section (figures (40), (41) and (42), we mainly notice the difference of porosity between summer tree rings and winter tree rings (figures (43) and (44)). Here again, the unknown species is comparable to the spruce species in view of the scale, dimension and appearance of their rings (figures (45) and (46)).

Moreover, this observation through the SEM allows us to determine the strengths and weaknesses of polishing sample. On the unpolished sample, even though we can not see interesting things on high magnification because the wood is ripped off due to the extraction, we can better discern defects as moisture, cracks (fig (46))… However be aware that the surface scuffing can also be caused by the sampling method. On the polished sample, on high magnification, it is possible to see the microstrucure.

However, we often observe stripes due to the polishing which can disturb analysis.

Identification of the wood species

Sect. II

2

Framework’s wood (unpolished)

1

Spruce new wood (polished) fig(40).

Sketch of wood cut on the transverse plane

fig(41). & fig(42).

Samples observed on the transverse plane

1 Spruce new wood (polished) 1

3

2

fig(43).

SEM photograph, x15, 20kV

fig(44).

SEM photograph, x100, 20kV

2 Framework’s wood (unpolished)

4 1

2

fig(45).

Photographie MEB, x23, 20kV

fig(46).

Photographie MEB, x140, 20kV

1 2

Summer ring

3 4

Tracheid in winter ring

Winter ring (wood more porous)

51

Side of a snatched tracheid

We could etablish significant differences, between softwood and hardwood, shown below. On the oak sample, we clearly identify winter tracheids holes (those from summer are not visible) (figures (47), (48), (49) and (50)). For the same magnification, winter tracheids holes are not easily visible on the resinous and the framework samples (figures (51), (52), (53) and (54)). This confirms our hypothesis : the framework species is a porous resinous.

Identification of the wood species

vaisseaux

vaisseaux

bois d’été

bois de printemps

fig(47).

Sect. II

1 Oak wood (harwood)

SEM photograph showing hard- wood with widespread pores [5]

fig(48).

SEM photograph showing hard- wood with porous areas [5]

plan radial

plan tangen

1 1 Fig.(1.8) Observation microscopique d'un bois feuillu à zones poreuses.

Observation microscopique d'un bois feuillu à pores diffus. La oire de matériaux de construction 7 à cause des pores diffus. distinction du cerne annuel est difficile

Fig. (1.7)

2

vaisseaux

Fig. (1.5) fig(49).

bois d’été

SEM photograph, x15, 20kV

Observation microscopique d'un bois résineux, plan transversal plan radial R et plan tangentiel T. Le plan X contient trois cern annuels. Les cellules du bois de printemps sont visibles tandis q bois de printemps les cellules du bois d'été sont difficiles à distinguer. fig(50). SEM photograph, x70, 20kV

2 Spruce wood (softwood) canal résinifère

fig(51).

plan tangentiel

SEM photograph showing softwood structure with rings [5]

fig(52). SEM photograph showing soft plan tangentiel wood with uniform structure [5]

an radial

Observation microscopique d'un 2 bois feuillu à zones poreuses.

Fig.(1.8)

. (1.5)

canal sinifère

plan radial

2

1

Fig. (1.6) Observation microscopique d'un bois résineux à structu Observation microscopique d'un bois résineux, planuniforme. transversal X, 1 Le plan X contient trois cernes plan radial R et plan tangentiel T. annuels. Les cellules du bois de printemps sont visibles tandis que les cellulesSEM du photograph, bois d'été sont à distinguer.fig(54). SEM photograph, x75, 20kV fig(53). x17,difficiles 20kV 1 2

Winter ring Summer ring not visible

53

3.2. Results OM In addition to the SEM, we realize observations on optical microscope. We choose to observe three types of wood : framework’s wood (figures (55), (56) and (59)), pine wood (figures (57), (58) and (60)) and oak wood (fig (61)).

We obtain proven results for the observation of the longitudinal radial (1 : figures (55) to (58)) and tangential plane (2 : figures (59) to (60)) of the framework’s wood and the pine wood on one side and on the other side for the longitudinal radial and transverse plane (3 : figure (61)) for oak. First of all, we observe an important linkage between the internal structure of the framework’s sample and the pine wood sample (figures (55) to (58)) while the structure of the oak sample differs a lot (fig (61)). Furthermore, we compare our observations to reference images (figures (63) to (67 and figures (68) to (72)) which validate our analysis as we can see on the next page.

Identification of the wood species

Sect. II

1 Photographs on longitudinal radial plane :

X10 fig(55).

X50

OM photograph : the unknown wood, x10

fig(56).

OM photograph : the unknown wood, x50

X50

X10 fig(57).

OM photograph of the pine wood, x10

fig(58).

OM photograph of the pine wood, x50

2 Photographs on longitudinal tangential plane :

X10 fig(59).

X20

OM photograph : the unknown wood,

fig(60).

OM photograph of pine wood, x20

3 Photographs of the oak wood, on transversal plane :

X10 fig(61).

X20 fig(62).

OM photographs of oak, x10 and x20

55

Oak [6]

3.3. Cross results : Microscopy Without preliminary research on the building, we had no idea of the wood species of the framework. A first visual inspection of the core drillings let us think it was probably a softwood. Then, both techniques of microscopy enable the wood identification : the framework is made of pine. Even if we barely not prepared our samples in particular for the optical microscope, the technique allows to recognize the microstructure of the wood by comparison with the wood anatomy database [6]. However, a better preparation of the sample (level the surface, use of dyes) would have enabled to realize sharper images.

3.4. Discussion : Micros copy techniques For both techniques of microscopy, it would have been great to make preliminary researches about the church so as to have an idea of the studied wood. Indeed, the comparison with the database would have been quicker and easier. Using a SEM is not really necessary to recognize the wood species but could have been useful to analyze defects and see the relief. However, vigilance is needed to give conclusions because the defects observed could be due to the drilling methods. The OM is probably a better tool for our study since it is easier and faster to use. Moreover we find a fuller database [6].

Identification of the wood species

fig(63).

Chestnut [6]

fig(64).

Spruce [6]

fig(65).

Oak [6]

fig(66).

Poplar [6]

X10 fig(67).

Sect. II

2 Comparison with the wood anatomy database [6] on longitudinal radial :

X50

Reminder : fig (55). and fig (56), the unknown wood

Pine [6]

2 Comparison with the wood anatomy database [6] on longitudinal tangential :

fig(68).

Chestnut [6]

fig(69).

fig(70).

Spruce [6]

Oak [6]

fig(71).

Poplar [6]

X10 fig(72).

Pine [6]

Reminder : fig (59), the unknown wood

57

4. Results : Implement techniques of

wood analysis on new wood 4.1. Results of tensile tests We make tensile tests on five samples, as homogenous as possible (depending on our material means) taken on the transverse plane from the new wood (figures (73) to (77)).

We launch the tests and follow loadstretch curves evolutions, recorded thanks to the extensometer. Curves are linear for stretches included in [0,5 .10-3] and [2,5.10-3]. However we choose to continue test without damaging samples.

As samples were neither damaged nor plastically deformed, we make various tests on the same samples. Indeed, tests are often stopped because samples slipped out of jaws. It is surprising not to get the same result twice for a test made on a same sample. Sometimes the second value was higher and sometimes it was smaller (table (2)).

Then, to obtain longitudinal elasticity modulus EL, we plot the curve stress (equation (18)) as a function of the extensometer measurements.

By selecting intersting data, we get 8 modulus (on 12 tensile tests) close to the expected values for a resinous tree, between 10 294 MPa and 19 514 MPa. The results are presented in the figure (78).

Results : Implement techniques of wood analysis on new wood

Sect. II fig(73).

fig(75).

σd = kh σmeasured for tensile and bending tests

(7)

σd = σmeasured for compression tests

(8)

Sample ASF H

fig(74).

EL = EL12 [1 − 0, 015(H − 12)]

Sample BSF

(9)

H 12 ER = ER [1 − 0, 030(H − 12)]

(10)

ETH = ET12 [1 − 0, 030(H − 12)]

(11)

GT RH = ET R12 [1 − 0, 030(H − 12)]

(12)

Sample CSF

fig(76).

GT LH = ET L12 [1 − 0, 030(H − 12)]

Sample DSF

(13) EL (MPa)

EL (MPa)

GL R

H

= EL R [1 − 0, 030(H − 12)]

ρH = ρH0

fig(77).

M OEGR

Sample ESF

12

(for first test)(14)

CSF

10 300

(1 − α)(H − H0 ) ) (1 + DSF 100

15 100

ESF

15 740

M L3 = 3, 78568 3 2 106 bh R table(2).

2.106 R= F −R P =

16 900

(15) (16)

Modulus of elasticity in transverse plane for two tests made on same samples

(18)

59

13 430 15 330

(17)

F S0

(for second test)

We also try to make tensile tests on five samples, as homogenous as possible (depending on our material means) taken on longitudinal radial plane and on longitudinal tangential plane from new wood. Samples are very fragile : they broke before we launch the test.

In fact pressure induced by jaws or extensometer is enough to crack them (fig (79)). So we decide not to make these tests. Nevertheless the framework wood is more humid and less porous.

This is why we decide to realize the experience on framework samples even if there are in the radial direction.

Results : Implement techniques of wood analysis on new wood

Tensile Test on Pine wood (longitudinal direction)

Sect. II

45

40

35

25

Stress Piola Kirschoff F/S0 (MPa)

Stress Piola Kischoff (F/S0) (MPa)

30

BSF (E=10561 MPa) CSF (E=10294 MPa)

DSF (E=15086 MPa) 20

ESF (E=15335 MPa) ASF1 (E=19514 MPa) CSF1 (E=16887 MPa) DSF1 (E=13436 MPa) ESF1 (E=15738 MPa)

15

Sample number and their modulus of longitudinal elasticity

10

5

0

-0,0005

-5

0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

Strain l/l0 (mm/mm) ² Strain (mm/mm)

fig(78).

Tensile test on pine wood (longitudinal direction)

fig(79).

Fragility of samples of pine wood in the radial direction during the tensile test

2

0,0025

l : displacement of the extensometer knives given by the machine l0 : initial distance between the two knives given by the machine, en mm This formula remains valid for graphs where the strain is used (graphs (80), (83), (84) and (85)).

61

0,003

4.2. Results compression tests In addition to the tensile test, we observe the behaviour of the same new wood in compression. We made test in the transverse plane, on four samples of the same dimensions. We obtain the stress/strain curves on the opposite figure (80). We can notice that the modulus of elasticity is far below from the ones measured in traction (between 2 819 MPa and 4 424 Mpa, that means about five times lower).

Unlike the tensile test, the curves reach a point before the sample breaks. This point corresponds to the compressive strength (whose the average value is 47 MPa), which is correlated to the tensile strength, Rt=2Rc .

Results : Implement techniques of wood analysis on new wood

DSF (E=15086 MPa) ESF (E=15335 MPa) ASF1 (E=19514 MPa)

Sect. II

CSF1 (E=16887 MPa) 60

DSF1 (E=13436 MPa) ESF1 (E=15738 MPa)

Stress Piola Kirschoff F/S0 (MPa)

50

40

30

Sample number and their modulus of longitudinal elasticity

Y sample (E=442

Z sample (E=36

W sample (E=44 20

V sample (E=28

10

0

0,01

0,02

0,03

Strain l/l0 (mm/mm)

0,003 Y sample (E=4424 MPa) Z sample (E=3650 MPa) W sample (E=4408 MPa) V sample (E=2819 MPa) fig(80).

Compression test on pine wood (transversal plane)

63

0,04

0,05

0,06

4.3. Results resonance

frequency method For each result we apply equation (3) and equation (16), kh = 1 for F, G, H, I and kh = 1,3 for J and L. This technique is reproducible. Indeed, the maximal standard deviation observed for pine H is σ = 0,15 as shown in figure (81).

When we make an average of EL for each different samples, we obtain EL included in [10,6 ; 14,4] GPa, (fig(82)), which is close to reference value (EL ref = 12,7GPa).

Furthermore we found a global average EL = 12,14 GPa. Moreover, the dispersion for the six results is negligible face to bigger modulus, as concrete or steel.

Results : Implement techniques of wood analysis on new wood

Sect. II Modulus of elasticity (GPa)

Samples Dispersion of axial resonance frequency as function as sample

Modulus of elasticity (GPa)

fig(81).

Samples fig(82).

Longitudinal modulus of elasticity as function as different samples

65

4.4. Cross results of wood

analysis techniques

on the fiber direction We rolled out three series of tests on new wood, whose the species is close to the framework’s one. The aim is to characterize its properties by measuring the wood stiffness in fiber direction (transverse plane) named EL. Indeed, wood suppliers and builders use stiffness and strength calculated in the fiber direction.

with a databse (a moisture content of 12 %), and the framework content (a moisture content of 20 %). This result is not workable because the tests are not made on framework sample.

Nevertheless it gives us an idea of the loss of properties due to humidity. All this modification due to factors are shown in figure (83).

We obtain similar results for the modulus of elasticity (in fiber direction) by using the resonance frequency method and the tensile test. That enables us to validate these techniques for wood analysis.

Simultaneously, we realised compression test, which did not give us the same modulus of elasticity. We will discuss the conditions of the test later.

Moreover, these tests, as those made with GrindoSonic, are not applicable to our framework’s samples. They are only useful to validate and compared our results.

Despite this, we decide to adapt our results to the “reality”, that means in the condition of a real framework. We first apply a scale factor, equations (5) and (6). The modulus obtained for a small sample decreases when we apply it to the entire framework. To this, we add a humidity factor. The sample we collect has a moisture content of 6 %, so we adapt our result to compare it

Results : Implement techniques of wood analysis on new wood

Sect. II

45

40

Stress Piola Kirschoff F/S0 (MPa)

35

30

25

20

15

10

5

0

0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025

Strain l/l0 (mm/mm) ESF1 ESF1 ESF1 (scale factor taken into account)

ESF1 (scale factor taken into account) ESF1 (scale factor taken into account & moisture content : 12 % (in reference table)) ESF1 (scale factor taken into account & moisture content : 12%(in reference table)) ESF1(scale (scalefactor factor taken into account & moisture content : 20% (in the framework)) ESF1 taken into account & moisture content : 20%(in the framework)) fig(83).

Tensile test on ESF sample and modification of the modulus of elasticity by scale factor and moisture content

67

4.5. Results : Adopted

techniques to charac terize the framework

plane on new wood sample. Indeed, the samples were too fragile because they were extracted from a new wood too dry.

We realize a serie of tensile tests on the framework’s sample. For seven tests, we obtain a linear curve of strain/ stress before breaking the samples. We could anticipate to find the modulus of elasticity. But compared with the tensile test on the longitudinal direction, our values are more dispersed, for a same test. Moreover when we superimpose different curves we notice wide disparities (fig(84)). This constat proves us that the radial modulus of elasticity is not obtainable from our experimental results.

By way of a comparison, we made a test on a sample of wood species close to the framework’s one, but sampled with an another method. The results differ widely and we find the longitudinal radial modulus of elasticity expected.

This result is shown on the figure (88).

Since we collect only one type of sample, as the result of the tool we have, the only test we made to describe the mechanical behaviour of the framework’s wood was the tensile test in longitudinal radial direction.

As shown previously, they did not give positive results. That is why, we will discuss later about the method we use for sample extractions.

Moreover, we can not correlate any result of these tests, because we did not make test in the longitudinal radial

Results : Implement techniques of wood analysis on new wood

Tensile test on wood of the framework (radial direction)

Sect. II

1,6

1,4

Stress Piola Kirschoff F/S0 (MPa)

Stress Piola Kirschoff (F/S0) (MPa)

1,2

1

2A 2B 2C 2D 2E 3B 3D

2A 2B 2C 2D 2E 3B 3D

0,8

1 0,6

0,4

0,2

0

-0,005

0

0,005

6

0,015

0,02

0,025

0,03

Strain l/l0 (mm/mm)

-0,2

fig(84).

0,01

Strain (mm/mm) Drill core of the framework's wood compared to a spruce sample (radial direction)

Tensile test on framework’s wood sample (longitudinal radial plane)

5

2

Stress Piola Kirschoff F/S0 (MPa)

Stress (MPa)

4

2A 2B 2C 2D 2E 3B 3D Spruce

3

2

1

1

0 -0,005

0

0, 005

0, 01

0, 015

0, 02

0, 025

Strain l/l0 (mm/mm) -1

Strain (mm/mm)

fig(85).

Tensile test comparison between samples of the framework’s and a spruce sample

(on longitudinal radial plane)

69

0, 03

2A 2B 2C 2D 2E 3B 3D Spruge

5. Discussion 5.1. Sampling method and

tensile tests The core drillings we collected thanks to the manual auger were not uniform. Moreover, their sections were not constant and many surfaces imperfections were created because of the tool. The first centimeter of the sample (in the beam surface) are unworkable due to outside contacts degrading immediatly the surface. As we can see in figures (86) and (87) those defects are even more important for cores collected in the radial direction.

We can wonder if there is any relation between this fact and the reasons why we do not find conclusive results doing tensile test in the radial direction. To bring elements of discussion, we realize a core sample using another method (square cutting and sanding to get a cylinder) with a larger diameter (7 mm).

The core sample is shown in figure 88.

The curve 2 in figure (85) represents the results found for this spruce sample.

We find a modulus of elasticity of 380 MPa, which corresponds to values of reference for this direction. This graph let us think that tensile tests could possibly give decisive results even in radial direction. However additional studies should be conducted to confirm our hypothesis.

Discussion

Sect. II fig(86).

Sample 2a from framework, longitudinal radial plane

fig(87).

Sample 2a from framework, longitudinal radial plane

fig(88).

Sample from spruce, longitudinal radial plane

71

We can also discuss the relevance of our results in longitudinal direction using the same sampling method. As we said previously, we find the same order of magnitude for tensile tests and resonance method. However we can observe a certain spread of data between 10294 MPa and 19514 MPa. Moreover, we also see in the table (2) that we do not obtain the same results twice even when we do tensile tests in the same sample. We can assume that the mechanical clearance of the machine and the shift into the jaws are probably partly responsible of this variability. Then, we compare our results with those of a wood supplier [8] (tab(3)). For the tensile tests made on pine samples we find an average modulus of elasticity of 10 316 MPa after we applied the scale factor and the moisture content factors. We also calculate the standard deviation which worth 2040 MPa. The range of data given by the wood supplier for a new pine wood worth 14300 MPa with a standard deviation of 3000 MPa. The values we find are in the same order of magnitude of the wood supplier. Morevover, the standard deviation relative to the mean worth is around 14% which is similar to the value find in [2]. In this article they estimate that this value is small enough to be reliable. This range of spread data expresses the fact that wood is an organic and heterogeneous material.

We would probably have find bigger differences in the radial direction due to the wood anatomy more heterogeneous which also requires a more complex extraction. From that perspectives, we can wonder if this heterogeneity would

allow the characterization of property loss. If a significant loss of properties for a wood structure is in the same order of size that the deviation due do the heterogeneity of the material, then these tests would not allow to easily conclude about the state of the structure.

Seen in this light, it could be interesting to find methods to create samples in the longitudinal direction in structures like frameworks. From time to time, the end of the beam could be accessible but we can imagine that it will not be always possible and will not permit to characterize the whole structure.

Looking in scientific literature [4], we find another way to make sample by creating meso specimens by sawing the corner of the beam (fig (89), fig(90) and fig (91)). However, it would only permit to have access to superficial measurements of the wood. Moreover, this approach is also more destructive and digress a bit from our initial objective.

In a framework, radial samples are easier to extract and would permit to have a broader view of the state of the structure. This is why we also wanted to discuss different ways to create radial core samples. More research should be lead using mechanical auger and testing different sizes of samples, probably a bit larger depending on the wood species.

During the tensile tests, we do not find the Poisson’s ratio. The fact that our samples are circular makes it difficult

Discussion

Sect. II table(3). Extracted from technical file of a wood supplier [8]

fig(89).

Extraction of mesospecimens using a jig jaw [4]

15 cm

fig(90).

Mesospecimen extracted [4]

fig(91).

73

Mesospecimen photograph [4]

In this part we are going to try to explain the difference of modulus of elasticity observed in compressive and tensile tests.

en relation avec sa structure” written by Anh Tuan Dinh [2] for compression tests realized in both radial and tangential directions. We read on the graph (fig (93)) a modulus of elasticity of 616 MPa for a spruce sample in the radial direction but they finally determine a value of 840 MPa (table (5)) which is closer to reference values. This is why we wonder if a ratio need to be applied to the elasticity modulus obtained reading the compressive graph.

Firstly, we can discuss about the compression tests conditions. We did not use an extensometer and directly extracted the displacement of the machine to calculate the deformation.

This could lead to errors due to the stiffness of the machine if both machine and samples get deformed during the test. However, the wood is soft enough to ignore this phenomenon.

Finally, we find in the Eurocode 5 EN1995 [7] that there are 2 different modulus for traction and compression.

Nevertheless only one is used in the applicable regulations, the traction one.

Knowing that and the fact we do not find a good method to correlate traction and compression modulus, we recommend to determine the modulus of elasticity using traction tests in a wood structure.

Moreover, we find nearly the same curves as Na Yang and Lei Zhang in their article “Investigation of elastic constants and ultimate strengths of Korean Pine from compression and tension tests” [9]. Using their curves (fig (92)), we determine a modulus of elasticity of 2160 MPa and an ultimate tensile strength of 38 MPa. They find the same ultimate tensile strength as we determined. However in this article, they finally choose another value of module (8 856 MPa) (table (4)) which corresponds to reference tables : the same one that is readable on traction graphs. We make the same observation in the article called “Comportement élastique linéaire et non-linéaire du bois

However, compression tests allow an easier identification of the ultimate tensile strength because the wood behavior is more brittle in traction than in compression.

to do a granular mortar. However we probably could have find it using a dark background and using image correlation if required to complete the compliance matrix.

5.2. Compression tests

Discussion

L = 40 mm fig(92).

point 2 :

σ = 27 MPa ε = 0,5/4 = 0,125 1

So E

= 2 160 MPa

extract from Yang-Zhang thesis [9]

table(4). Compression tests results extract from Yang-Zhang thesis [9]

point 2 :

σ = 5,05 MPa ε = 0,0082 So E

fig(93).

Compression test in longitudinal radial plane for ER3 sample, extract from Anh-Tuan Dinh thesis [2]

table(5). Compression tests results extract from Anh-Tuan Dinh thesis [2]

75

= 616 MPa

Sect. II

2

5.3. General remarks In this protocol we use only local methods to determine wood properties.

To correlate our results with the whole structure, we use scale factors. Then we can wonder how much studied local areas are needed to characterize the whole structure. To have a precise value of the modulus of elasticity, it is also interesting to study the number of core samples required in each areas.

Otherwise, it would also be interesting to combine both local and global methods such as ultrasonic testing to better analyse the framework. Besides, those methods would also permit to discuss about the defects of the structure, a subject set aside in our final protocol.

At the end, this subject was a very good “testing ground” which allows us to investigate in many directions and met lots of researchers. We finally do not provide a turn key solution for Sherlock Patrimoine but we rough out the subject and formulate new research leads. This is why you will find, attached at the end of this document, three possible subjects detailed for future students of the option. Last but not least, this subject gives us a great overview of possible ways to combine both architectural and engineer skills in our future activities.

Discussion

Sect. II fig(94).

A great team ; Romane, Caroline and Emilie.

77

III

Partie française

SOMMAIRE 1.

INTRODUCTION 81

1.1.

Pré-requis pour l’étude du bois 83 1.1.1.

Caractéristiques macroscopiques 83 1.1.2.

Caractéristiques microscopiques 83 1.1.3.

Propriétés principales 85

1.2.

Etat de l’art : le diagnostic et les outils nécessaires 89 1.2.1.

Méthodes globales 89 a.

Les Rayons-X 89 b.

Les Ultrasons 91 c.

Les ondes électromagnétiques 91 1.2.2.

Méthodes locales 93 a.

Essais mécaniques sur des carottes 93 b.

Le Pilodyn 93 c.

Le Resistograph 95 d.

Techniques de microscopie 95 e.

L’humidimètre 97

f.

La méthode de la fréquence de résonance 97

1.3.

Nos objectifs : évaluer l’intégrité de la structure 99 1.4.

Le protocole 101

2.

Méthodes

103

2.1.

Sur le site d’étude 103 2.2.

Essais en laboratoire 107 2.2.1.

MEB 107 2.2.2.

MO 109

2.3.

Méthode de la fréquence de résonance 109 2.4.

Essais de traction 111 2.5.

Essais de compression 113

3.

Identification de l’essence du bois

115

3.1.

Resultas du MEB 115 3.2.

Resultas du MO 121

3.3.

Résultats croisés : Microscopie 123

3.4.

Discussion : techniques de microscopie 123

Sommaire

Sect. III

4.

RéSUltats : Mise en œuvre des techniques d’analyse sur du bois neuf

125

4.1.

Résultats des essais de traction 125

4.2.

Résultats des tests de compression 129

4.3.

Résultats de la méthode de la fréquence de résonance 131

4.4.

Résultats croisés des techniques d’analyse

du bois dans le plan transversal 133

4.5.

Résultats : Choisir des techniques pour caractériser une charpente 135

5.

Discussion

137

5.1.

Méthode d’extraction et test de traction 137 5.2.

Test de compression 141 5.3.

Remarques générales 143

81

fig(1).

Charpente de l’église Saint-Jaques, La Planche (44140)

Introduction

Sect. III

1. INTRODUCTION L’analyse des structures en bois (fig(1)) est une composante essentielle pour préserver notre patrimoine architectural. Cependant cette étape peut se révéler difficile puisque leurs constructions ne respectent pas les normes actuelles. Cette situation amène parfois les professionnels à prendre des précautions trop importantes en enlevant des pièces qui pourraient être conservées, mécaniquement parlant.

De plus dans ce type de construction, l’Architecte en chef des Monuments historiques préconise de minimiser les interventions. En résumé, d’un côté on ne peut pas réaliser des tests complets puisqu’ils nécessitent de trop grands échantillons. Mais sans cette aide pour diagnostiquer la structure, il est difficile de la conserver au mieux. C’est dans ce contexte que les techniques d’analyse semi-destructives et non-destructives1 se révèlent pertinentes.

sur le développement d’un protocole viable pour une structure telle que Sherlock Patrimoine. C’est pourquoi nous avons essayé de développer une méthode simple et efficace pour leur permettre d’avoir une vue d’ensemble de l’état de la structure. Dans ce cadre, nous avons utilisé uniquement des équipements abordables ou déjà présents à l’école Centrale. Dans le futur, nous avons projeté que Sherlock Patrimoine pourrait acheter quelques équipements bon marché. Pour certains tests nécessitant des machines plus chères comme les essais de tractions, nous imaginons qu’ils pourraient faire analyser leurs échantillons par un laboratoire extérieur.

Ainsi, nous avons d’abord réalisé un état de l’art des techniques non-destructives et semi-destructives dans le but de choisir celles qui correspondent au mieux à nos méthodes de travail. Ensuite, nous avons réévalué nos objectifs pour créer un protocole en adéquation. Enfin pour chaque technique employée, nous avons discuté des résultats d’abord séparément puis de manière croisée.

Plus précisément, Sherlock Patrimoine, la structure pour laquelle nous travaillons est une petite entreprise. Ils développent des outils pour analyser différentes pièces et matériaux comme la pierre. Cependant, ils ont encore des difficultés pour étudier le bois d’œuvre pour toutes les raisons évoquées. Ainsi, on peut se demander comment caractériser les propriétés mécaniques du bois en œuvre tout en minimisant l’impact sur la structure ?

Nos recherches se sont alors centrées 1

Voir définitions p.89

83

4

3 2 1

fig(2).

Coupe d’un tronc d’arbre

Plan transversal

LT

Plan longitudinal radial T

Plan longitudinal tangentiel

LR

LT

fig(3).

Les trois plans de section utilisés pour l’étude du bois

Introduction

n’est pas souhaitable pour le bois de construction. En effet, cela peut d’une part entraîner un important retrait du bois et d’autre part la trop forte présence de nutriments peut causer des attaques d’insectes et de champignons.

Le bois est un matériau organique qui peut être considéré comme un composite naturel composé de fibres de cellulose dans une matrice de lignine. Il existe une multitude d’essences de bois à travers le monde qui ont des propriétés très variées. Cette grande diversité rend l’étude de ce matériau d’autant plus complexe. On peut alors d’ores et déjà faire une première distinction entre les feuillus et les résineux aussi appelés angiospermes et conifères.

4

1.1.2. Caractéristiques microsco piques

1.1.1. Caractéristiques macrosco piques

Plus tard dans ce rapport nous ferons référence à trois plans de section (fig(3)) utiles pour l’étude du bois : il s’agit du plan transversal (le sens des fibres), du plan longitudinal radial et du plan longitudinal tangentiel.

Du centre à la périphérie on discerne (fig (2)) : 1

La partie sombre appelée duramen.

Composée de cellules mortes à fines membranes et de parois cellulaires où les nutriments ne circulent plus. Elle a de bonne propriétés mécaniques.

2

L’écorce composée de différentes parties dont le cambium.

Cette partie est vitale aux arbres puisque c’est l’endroit où a lieu la production des cernes annuelles.

3

La partie claire composée des cernes les plus récentes appelée aubier.

Composée de cellules actives et de fines membranes, la sève circule et les nutriments s’y accumulent. La présence de trop de bois d’aubier

Les cernes annuelles apparaissent successivement claires et foncées.

Le bois de printemps est clair et mou tandis que le bois d’été est plus coloré, dur, dense et résistant.

85

Sect. III

1.1. Pré-requis pour

l’étude du bois

Direction longitudinale tangentielle

LT T

Projet CHARLOCK Projet L CHARLOCK R

Direction transversale

emilie.thabard emilie.thabard

Projet CHARLOCK Projet CHARLOCK January 2020 2020 January Projet CHARLOCK fig(4).

1 1

1

emilie.thabard emilie.thabard emilie.thabard Projet CHARLOCK ProjetJanuary CHARLOCK 2020 January 2020

Schéma de la transformation du modèle orthotrope au modèle isotrope transverse

Introduction 1 Introduction  

1 E1

 

  January 2020 emilie.thabard emilie.thabard ν21 νν21 ν12 1 12 − 00 00  0 − −0

    23 21 23 21   1 21 22 2  21 12 21 12  0  0   E  − E  − E 0 E1 0 0  −0E1 −  1   − ν112 −νν12  1 23     −Eν11231 0 0 0 0 0  0   E1 EE E   E E  ν221 ν 2 2 12 1 12     − − 0 0 0 S = (1)   S =    ν ν 1 ν ν 1 ij 23 21 ij 21 23 E1  0  0   EE1  − E 1  −Introduction Introduction 0 2E1 − 0 E2 0 0   E1  E12 E 2   1    00 01 00   0   0    G0     −0ν21   12 ν23 G12 1     − 0 0 0       ν ν 1 ν ν 1 12 23 12 23   − 1E  − 2 ν120  νE ν12 1−0 E2 ν21 0 0 211 − E 0 0   0 E  0 0  E01 1  − 0E 21 E 0E2− E0 11E2 −0E11  E21 −E E 1 1  0 0 0 (1) Sij =  0 0 0 0    Sij =  G   G    12 12  1   − νE12 −νE23  0 0 0    1 1 E     − 0ν21 01 1 − ν23  ν232 ν21 0 2 1 0 0  0 0 0 0   0 012 E20 −01EG2 12  01 0  Sij 0E=1  E2  0E2− EG  10  0 0 0 0 0 0    G   G     23 1 0  23  0 0 0 0       1 1 G   − 0ν12  − 0ν23  ν1200 ν23 012 0 1 0 1 0 0   0 0 −G 012 02  2 − E2(1  0G12 0  1E1  11E2 1E E2(1  11 + ν 2 ) +E  1 ν ) 23 23    S = (1) Sij =       ij 1  = = 0 = = 0 = 0 (2) =  0 0   1 1 G G E G G G G G   12 13 23 2 0 0 E2 12 10  123 12 13 0 0 0 0 0 0  G023  G 0 0 G12 00  0  0 12 0G23 0  We have coefficients to determine : E1 , E:2 ,Eν112 , ν2 ,23ν,12G,12ν We5 have 5 to determine , E , G 1 12 23   coefficients 0 0 +Gν23 ) 1  10 100 100 + 0ν23 1100 0 2(1 11) 0 02(1  =  0 23 G12 (2)  = = = = = G12 150 150  E2  0,2 G 0,2 G13 E2 G23 G G G 12 13 23 12 ) , 1, kh = Mkin[( h 1≤ ) if, 1, 3] 150mm(3) if h2(1 ≤+ 150mm(3) 13] ν23 1in[( ) h =M h = h 0 =0 0 =00 01E , ν12 0 , ν230, G12G123 We have 5 coefficients determine E1determine ,E , ν12 , :ν23 ,1G,G We have0to 5 coefficients to EE G:13 G223 G012 223122 (4) kh = 1 kotherwise = 1 otherwise h have 5 coefficients to0,2determine : E , E)2 , ν112 , ν232(1 , G+ On aWe 5 coefficients à déterminer : 1 150 150 1 12 ν ) 1 1 1 2(1 + ν 1 0,2 23 kh = M in[( 1, 3] if h=≤) 150mm(3) =, M in[( , 23 1,=3] if h = ≤ 150mm(3) = hkh) = = (2) G G E G13fk 150 G23fG G12 k 12 h E 13 23 2 2 0,2 .kM . for tensile and flexure (5) fd = kkmod = k .k . for tensile and flexure fhd = mod h ) in[( ,k1, 3] if h ≤ 150mm(3) = k5hhcoefficients γ M1 otherwise We have G We have 5 coefficients to determine Ehdetermine ,=ν1 ,otherwise ν , :GE , E , ν , ν ,(4) h: γEM ,to E 11

E11

E E    E Introduction 1 Introduction    January 2020 January 2020    ν ν 1   − E  −EνE −E1E −0νE 00 00   0  1 Introduction   1  ν ν ν 1ν 1

1

2

12

23

121

2

12

23

12

(1) 

     (1)      (2)          (2) (4)

(1)

(1)

(2)

(2) (5)

(4)

(4) fk kh =f1k otherwise 0,2 = k150 .0,2 for compression (6) fdin[( .M for≤f150 compression (6) fd )f= kk k150mm(3) mod mod ) k = in[( , 1, 3] if h ≤ 150mm(3) khfd==M , 1, 3] if h si h kmod .khh . fdγM forkmod tensile flexure = .kh . and for tensile and flexure (5) (5) γM γM γMh fk calculated and the1and resistance for big for scale With fWith MPa fotherwise resistance big scale fd the resistance d the resistance .ksinon . in for tensile flexure (5) fd = = (4) kfhk and = 1in otherwise (4) khkcalculated k the mod hMPa γM fk fk in MPain MPa compression (6) fd = kmod . kmod . for compression (6) ffor d = γMthe resistance modified factor.

It takefIt the duration of load,ofdepending of kmod the M the resistance modified take load, depending of kmod fk duration fγk factor. k = in kour . will for compression = kmod .kfwill tensile flexure fmod finto for tensile and flexure d h .in d = mod hf.d case ; kmod = the With humidity into account.

In.k our we neglect kfor ; k1. =(5) 1. for(6) thefdhumidity case we neglect mod mod the resistance calculated MPa the resistance for big scale the resistance calculated MPa and fk and the resistance big scale (5) With fdkaccount. kγ γMand γIn M M γMMPa : the securitysecurity coefficient.

It consider the reliability of wood γM partial : the partial coefficient.

It consider the reliability of for wood for in in MPa Introduction resistance calculated inneglect MPa and f1.γkMthe resistance for big scale With calcul. fSo d the = structure calcul. in our case we will neglect it ; γ f f = 1. structure So in our case we will it ; M k k modified take the duration ofthe load, depending of depending of (6) kmod the resistance the resistance It takefor duration of load, k compression ffactor. kmodmodified . It for compression (6) fd = factor. d = kmod . in MPa mod γkMmod γM weIn kmod = k1.mod ; kmod = 1. the humidity into account. In our case will the humidity into account. ourneglect case we will; neglect

Le bois est un matériau hétérogène, hygroscopique, cellulaire et anisotrope.

Le bois est considéré comme anisotrope puisque ses propriétés varient suivant la direction. Cette anisotropie est causée par sa géométrie particulière et l’organisation de ses éléments, principalement orientés dans la direction longitudinale. C’est pourquoi la différence majeure de comportement est observée avec la direction longitudinale même si les propriétés diffèrent entre chacune des trois directions (tangentiel, radial, longitudinal). Cependant, une fois le emilie.thabard bois coupé en éléments de charpente, il est considéréJanuary comme étant 2020 isotrope transverse. Ceci s’explique par la manière dont les éléments sont débités du tronc comme le montre la figure Introduction (4). Cette figure nous montre alors un   matériau 1isotrope dont les ν21 transverse ν12 − E1 − E1 0 0 0  E1 alignées fibres dans la direction  sont   longitudinale. de ces   − ν21 Le 1comportement ν23 − 0 0 0   E1 E2 2   matériaux est décrit parEla matrice (1).     − ν12 − ν23 1 0 0 0   E1 E2 E2   Sij :=matrice de souplesse     1 E : module 0 0  0 0(MPa)G12   0 d’élasticité   ν12 de Poisson vν21 : coefficient 1   − − 0 0 0    1 E1 E:1 module 0 0 0 0 1 cisaillement (MPa) G  0Ede G12    x1 : Xselon le plan transverse  1 0 0 0 0 0 ν21 ν 1 23 x : X selon − E1 − Ele2 plan longitudinal 0 0 radial0 G23 Ex22 : X selon le plan longitudinal  3 1 1 2(1 + ν23 ) 1  tangentiel = = =  G23 E2 G121 G13 ν12 ν23

Projet CHARLOCK

Projet CHARLOCK emilie.thabard January 2020

n

− E1

−

0

0

0

0

(2)



E2 determine : E1 , E2 , ν12 , ν23 , G12 E2 We have 5 coefficients Le bois estto aussi un matériau hétérogène   qui présentent nombreuses  150 0,2 1,de ) k = M in[( 1, 3] if h ≤ 150mm(3) 0 0  0 0singularités 0 eth défauts h comme les G12

  1 0 0 0 0 87  G 12 fk  for tensile and flexure  fd = kmod .kh . γM kh = 1 otherwise

(1)

(1) (4) (5)

Sect. III

nœuds, fissures, zones pourries… La probabilité d’avoir des défauts dans la pièce analysée augmente alors avec la taille de l’élément. C’est pourquoi l’Eurocode 5 EN 1995 [7] propose d’utiliser les équations (3) et (4) pour ajuster les valeurs de résistance à la traction et flexion obtenues par la prise en compte d’un facteur d’échelle. Les valeurs issues des tests de compression n’ont quant à elle pas besoin d’être ajustées puisque l’échelle de l’échantillon n’affecte pas les déformations mesurées.

1.1.3. Propriétés mécaniques principales

1

kh = M in[(

2

12

23

12

150 0,2 ) , 1, 3] if h ≤ 150mm(3) h kh = 1 otherwise

fd = kmod .kh .

(4)

fk for tensile and flexure γM

fd = kmod .

(5)

fk for compression γM

(6)

With fd the resistance calculated in MPa and fk the resistance for big scale in MPa kmod the resistance modified factor. It take the duration of load, depending of ; kmod = 1. the humidity into account. our case we will neglect kmodtests σd = kh σIn (7) measured for tensile and bending γM : the partial security coefficient. It consider the reliability of wood for structure calcul. So in our case we will neglect it ; γM = 1. σd = σmeasured for compression tests σd = kh σmeasured for tensile and bending tests

(8) (7)

ELH = EL12 [11− 0, 015(H − 12)] σd = σmeasured for compression tests

(9) (8)

H 12 ER = ER [1 − 0, 030(H − 12)] ELH = EL12 [1 − 0, 015(H − 12)]

(10) (9)

ETH = ET12 [1 − 0, 030(H − 12)] H 12 ER = ER [1 − 0, 030(H − 12)]

(11) (10)

GT RH = ET R12 [1 − 0, 030(H − 12)] ETH = ET12 [1 − 0, 030(H − 12)]

(12) (11)

GT LH = ET L12 [1 − 0, 030(H − 12)] GT RH = ET R12 [1 − 0, 030(H − 12)]

(13) (12)

GL RH = EL R12 [1 − 0, 030(H − 12)] GT LH = ET L12 [1 − 0, 030(H − 12)]

(14) (13)

(1 − α)(H − H0 ) ) ρH =HρH0 (1 +12 GL R = EL R [1 − 0,100 030(H − 12)]

Sapin (résineux) Chêne (feuillus)

(15) (14)

M L3 6 (1 − α)(H −10H0 ) M OEGR = 3, 78568 (16) ) (15) ρH = ρH0 (1 + bh3 R2 100 2.106 M L3 6 (17) R= M OEGR = 3,F78568 (16) − R 3 2 10 bh R Rm (N.mm-2) Rm (N.mm-2) F Densité (18) (traction) P = 2.10E6L (MPa) (compression) (17) R = S0 F −R 0,45 - 0,55

10 000 - 14 500

P = 0,56 - 0,70

F S0

10 500 - 14 500

table(1). Propriétés principales d’un sapin et d’un chêne.

Introduction

80 - 93

40 - 52

(18) 88 - 110

52 - 64

Sect. III

E2 12 13 23 2 ) , 1, 3] if h ≤ 150mm(3) = M in[(   kh 150 1 0 0 0 h3] if h ≤ 150mm(3) in[( 1k 0 )0,2 , 1,We h =M 1 1 2(1 + ν 1 ) have 5 coefficients to determine : E , E , ν  , E20, ν12 , ν023 , G012 G12G23 23 1 2 12 , ν23 , G12 h = kh ==1 otherwise = (2)  (4) 1 G13 G23 E2 G12 0 1 0 2(1 +0 ν ) 0 1 otherwise kh = 150 0,2 (4) G23 23 M in[( if h ≤ 150mm(3) = = (2)determine : E1 , Ek2h, = We have 5 coefficients to ν , ν , Gh12) , 1, 3] if h ≤ 150mm(3) 12 23 fk E2 + ν ) 1 G23 1 2(1 for tensile and flexure (5) fd = kfmod .kh .

23 =: E , E= , ν , ν , G f = k (4).k . k for (2) kh = 1 otherwise γM 150 wise ine 0,2 and flexure tensile (5) 1 2 12 23 12 d mod h G E 13 23 2 suite, le facteur Par la ) k , est kh = M in[( 1, 3] if Les h ≤ équations 150mm(3) (9) et (15) développées γd’échelle M h fh k utilisé comme dans les équations (5) et par Guitard en 1987 [1] relient les rmine : E , E , ν , ν , G 1 2 12 23 12 2 . 1 otherwise for compression (6) fd f= kmod fk (4) flexure kh = , 1, and 3] if flexure h ≤ (6) 150mm(3) k 1995 .kh . for(6) tensile and f γ issues de l’Eurocode 5 EN [7] : modules d’élasticité et de cisaillement sile (5) d = kmod M = k . for compression f d mod γ 0 0,2 M γM d’humidité. , 1, 3] if h ≤ With 150mm(3) in MPa au andtaux fk the resistance for big scale fd the resistance calculated 1) otherwise (4) fkand f the resistance the resistance calculée, calculated in MPa for bigfkscale With in fd MPa : résistance en Mpa. k = k .k . for tensile and flexure (5) f mod h for compression fd = kmod . ompression (6)d (4) γMPrise h = 1inotherwise MPa kmod: the γMdepending resistance modified ajusté. factor.

It take the duration of load, Enfin les propriétés du boisof varient facteur de résistance for ktensile and flexure (5) the resistance modified It take the duration of load, depending of ; kmod 1. and fet the the humidity into account.

In case we neglect kmod d’une essence àin = l’autre plus en compte de lafactor. durée deour charge fkfden thewill resistance calculated MPa resistance for bi With and mod fk the resistance for big scale k Ma f = k . for compression (6) f ; k = 1. into account.

In our case we will neglect k d mod k the humidity γ : the partial security coefficient.

It consider the reliability of wood for mod mod M particulièrement entre les feuillus et Dans in(5) MPa γnotre . for tensile andfonction flexure de l’humidité.

M partial security Itwe consider therésineux. reliability of ordres wood for 1. structure calcul.négligerons Socoefficient. in our case will neglect itmodified ; γM = M : the fthe kγM γduration the resistance factor.

It take the duration of load, depend k ; Des de grandeurs sont cas, nous k of load, depending of mod mod forstructure compression (6) resistance calculated initMPa for big scale WithSo fdinthe = 1.fk theInresistance calcul. our case we will neglect ; into γM and γM fneglect ; kmod = 1. the humidity account. our case we will neglect k ; k = 1. will k donnés dans la table (1). mod mod mod k in MPa . for compression (6) od γ : the partial security coefficient.

It consider the reliability of wo onsider the reliability of wood for M : résistance pour une grande inγMPa and kfmod resistance formodified big scale factor. It take the duration of load, depending of k thethe resistance M 1 = 1. structure calcul.

So in our case we will neglect it ; γ 1. humidity ect it ; γM = the M échelle, en intoMPa. account.

1our case we will neglect kmod ; kmod = 1. ated in MPa and fk the resistance for big In scale It take the duration of load, of partiel. It de sécurité Il consider the reliability of wood for γM :: coefficient the partialdepending security coefficient. ;en kmod = 1. ase we will neglect kmodcalcul. structure So in our case we will neglect it ; γM = 1. prend compte la fiabilité du bois or. It take the duration of load, depending of 1 t. It consider thepour reliability of wood for le calcul de structure.

Dans r case we will neglect kmod ; kmod = 1. = 1. cas nous le négligerons ; will neglect it ; γM notre cient. It consider the reliability of wood for 1 we will neglect it ; γM = 1.

1 1

Finalement, nous pouvons écrire les équations (7) and (8).

De plus, le bois est un matériau hygroscopique, c’est-à-dire un matériau qui absorbe l’humidité de son environnement. Le taux d’humidité affecte les propriétés mécaniques.

Au-dessus de 30% d’humidité, on dit que le bois est saturé en eau et peu importe le taux d’humidité, le bois garde alors les mêmes propriétés mécaniques. Tous les échantillons étudiés (bois neuf, bois de charpente) avaient un taux d’humidité compris entre [0% ; 30%]. Comme les propriétés varient avec le taux d’humidité, il est important de comparer des données pour une même valeur. Etant donné qu’il est délicat de contrôler l’humidité d’une structure, nous utiliserons à la place des équations qui permettent de corréler le taux d’humidité et les propriétés.

89

Ainsi, cela nous permet de visualiser : - -Des Desdéfauts défautsinternes internesdu dubois bois(fissure, (fissure,trous, trous,noeuds, noeuds,intervales intervales entre entreles lescernes) cernes) - -Des Desélements élementsd’assemblages d’assemblages(ex (ex: bois-bois, : bois-bois,bois-métal...) bois-métal...)

fig(5).

Photographies prises à l’aide de Rayons-X qui montrent des défauts et des éléments d’assemblage

Introduction

résolution des éléments structurels en bois. Un scanner mobile est utile pour des analyses in-situ sur des structures existantes. La technologie permet de repérer les variations de densité du matériau, variations observables sur le bois puisqu’il est hétérogène. Ainsi, plus le matériau est dense et plus les rayons-X sont atténués. En ce sens, cela permet d’avoir une mesure relative de la densité ou encore de détecter des défauts internes du bois. Au fil des années, un élément en bois est exposé à des charges mécaniques mais aussi à des attaques de champignons et insectes qui peuvent affecter sa densité. Enfin les Rayons-X permettent d’identifier les éléments d’assemblage s’ils sont faits dans d’autres matériaux (clous, épingles, colle, mastic (fig(5)).

Dans cette partie nous allons présenter une vue d’ensemble des techniques d’analyse du bois qu’elles soient globales ou locales. Certaines techniques peuvent être utilisées in-situ quand d’autres nécessitent d’être réalisées en laboratoire.

Les contrôles non-destructifs (CND) couvrent un panel de techniques utilisées pour évaluer les propriétés d’un matériau, d’une structure ou d’un produit sans abîmer l’item analysé.

Les contrôles semi-destructifs (CSD) couvrent un panel de techniques qui sont non-destructives vis-à-vis de la structure étudiée mais destructive pour l’échantillon prélevé. L’intégrité de la structure est préservée tout en permettant de caractériser les propriétés mécaniques comme le module d’élasticité.

1.2.1.

Même si cette technologie semblent intéressantes et pratiques pour l’exploitation des résultats, sa mise en œuvre est assez complexe surtout in-situ. Pour obtenir des images précises, la source doit être positionnée précisément par rapport à l’objet observé. De plus, à cause de la dangerosité des rayons-X pour la santé, une zone de sécurité est imposée, rendant la prise de mesures encore plus compliquée.

Méthodes globales

Les méthodes globales permettent une inspection de l’item entier en une seule opération. Nous en avons mis en évidence trois ci-dessous. a.

Les Rayons-X

Les rayons-X est une technologie qui permet de visualiser en haute

91

Sect. III

1.2. Etat de l’art : le dia gnostic et les outils nécessaires

M

Chronomètre (µs)

fig(6).

Fonctionnement du GrindoSonic

fig(7).

Transducteur ultrasonique

fig(8).

Laser projeté sur la surface du bois

fig(9).

Photographie des tâches elliptiques de lumière sur le bois

Introduction

C’est une technique complète qui utilise simplement une caméra linéaire et un laser pour fournir de nombreuses informations. Cependant, son utilisation n’est pas répandue et l’on manque d’informations quant à exploitation des données et à la simplicité d’utilisation in-situ ainsi que sur le prix du matériel et la précision des résultats.

Les Ultrasons

La méthode ultra-sonore permet de fournir des informations sur les conditions internes des éléments en bois ainsi que leurs capacités résiduelles à résister à une charge.

Cette technologie est un outil de visualisation basé sur la variation de longueur d’onde traversant le matériau (fig(6)). Comme les Rayons-X, elle permet de détecter des défauts internes ou la teneur en humidité du bois. De plus, la vitesse de propagation des ondes peut être corrélée aux propriétés élastiques du bois d’œuvre en connaissant sa densité.

Cette technique permet d’obtenir le module d’élasticité dans différentes directions de fibre. Cependant, cet outil est employé dans des conditions spécifiques qui rendent son utilisation in-situ difficile. c.

Les ondes électromagnétiques

Les ondes électromagnétiques est une méthode utilisant l’anisotropie du bois ainsi que sa microstructure. Un laser est projeté sur la surface du bois (fig(8)).

La lumière d’abord diffusé dans le bois revient à sa surface créant des taches elliptiques de lumière (fig(9)). Une caméra linéaire placée au-dessus de la surface capture les données (taille et orientation des tâches). Celles-ci sont ensuite incrémentées dans des logiciels spécifiques pour mesurer la densité et détecter des singularités, position des nœuds, zones de bois compressé ou de moisissures.

93

Sect. III

b.

fig(10).

Tarière manuelle

fig(12).

Essais de compression (gauche) et traction (droite)

Une carotte extraite grâce à la tarière

40 40

10

30

20

10

0

0

Un pilodyn

20 20

fig(13).

10

30

40

30

0

40

30

20

10

0

fig(11).

fig(14). Mesure de la densité grâce à un pilodyn

Introduction

endroits spécifiques. Cependant dans certains cas, un endroit précis peut être plus intéressant à étudier comme le milieu d’une poutre ou la base d’un colonne.

Les méthodes locales sont des techniques qui sont utilisées pour détecter des anomalies ou obtenir des informations locales. Pour caractériser la structure entière, ces techniques doivent être répétées plusieurs fois à différents endroits.

b.

Le Pilodyn

Le Pilodyn (fig(13)) est une technique non-destructive développée pour déterminer la densité du bois aussi bien sur pied que du bois d’œuvre. C’est un outil de pénétration (fig(14)). Un parallèle est fait entre la profondeur d’insertion d’une aiguille dans le bois et l’énergie nécessaire à la pénétration.

La profondeur de l’aiguille fourni par l’appareil est alors inversement proportionnel à la densité du bois.

a.

Essais mécaniques sur des carottes Les essais sur carottage sont des techniques semi-destructives répandues.

La première étape est alors de réaliser des carottages à partir des éléments de bois d’œuvre. Ces échantillons sont suffisamment petits (diamètre de 5mm et longueur de 50mm) pour être moins dangereux pour la structure que des défauts naturels comme les nœuds du bois. Ces techniques nécessitent un équipement approprié pour forer à une vitesse constante et éviter de casser les échantillons (fig(10) and fig(11)). Ensuite différents essais mécaniques peuvent être menés : compression, traction, flexion pour ainsi trouver les propriétés mécaniques (modules d’élasticités selon la direction du chargement et du sens des fibres) (fig(12)). L’essai le plus répandu sur ces carottes est le test de compression utilisant des mors spéciaux pour des échantillons de 5mm de diamètre. Sur ces échantillons où l’on peut mesurer le volume et la masse, on peut également estimer une valeur locale de la densité du bois.

Cet outil est très simple d’utilisation, abordable et peut être considéré comme non-destructif. Cependant, le Pilodyn ne permet d’accéder qu’à des mesures superficielles de l’état du bois (<40mm). De plus il ne donne que des mesures relatives de la densité.

Les informations ainsi extraites à partir des échantillons ne concernent que des

95

Sect. III

1.2.2. Méthodes locales

fig(15).

Mesure de la densité grâce au Résistographe

A travers une fissure ou zone pourrie

fig(16).

Fonctionnement du Résistographe

Introduction

Le long d’une d’une fissure

Le Resistographe

bois avant d’analyser la structure. Il est souvent possible de la déterminer grâce à des caractéristiques macroscopiques comme sa couleur, son odeur, sa brillance, son poids, sa structure… Mais ces propriétés peuvent être modifiées dans du bois ancien. Seulement quelques essences sont facilement reconnaissables à l’oeil nu ou avec une simple loupe. C’est pourquoi il peut s’avérer très utile d’observer la microstructure du bois à l’aide d’un Microscope Électronique à Balayage (MEB) ou d’un Microscope Optique (MO).

Le Résistographe est une autre méthode pour déterminer la densité du bois. Une perceuse entraine une petite aiguille (<3mm) dans le bois à une vitesse d’excavation et de rotation constante (fig(15)). L’énergie consommée par la machine est mesurée afin d’estimer la résistance au forage. Cette mesure est ensuite corrélée à la densité du bois. Par ailleurs, la variation de densité permet de détecter les défauts internes du bois (zones pourries, fissures, attaques de champignons et insectes) (fig(16)).

Cette méthode est aussi utilisée pour déterminer les dimensions réelles de surfaces structurales quand celles-ci ne sont accessibles ou encore d’évaluer la section résiduelle utile une fois les zones pourries enlevées.

Le MEB est une technique d’imagerie rapide qui permet d’observer la surface d’échantillons conducteurs. Elle permet une grande étendue de grossissements (x10 à x30000) avec une bonne profondeur de champ. Cependant, il peut être compliqué d’observer des échantillons non-conducteurs ou naturels : ils nécessitent d’être métallisés au préalable ou d’être utilisés sous un mode à faible pression.

Cette méthode délivre des résultats plus fiables que le Pilodyn qui se concentre sur les couches superficielles du bois.

C’est un outil facile et rapide à utiliser, abordable et non-destructif qui permet d’évaluer la qualité du bois. Cependant, plusieurs mesures sont nécessaires dans différentes directions et il peut s’avérer difficile d’analyser les résultats à l’aide de cette seule technique qui nous donne des mesures locales dépendant donc de l’essence de bois, de la teneur en humidité… d.

Le MO est une technique d’imagerie rapide qui utilise la lumière visible.

L’étendue des grossissements s’étale entre x20 et x6000. Cette méthode facile à utiliser permet une observation rapide des échantillons. De plus, la base de données MO du bois est assez fournie. Contrairement au MEB, cette technique ne permet pas d’observer le relief.

Techniques de microscopie

Les propriétés mécaniques du bois diffèrent grandement entre les essences. C’est pourquoi il est très important de reconnaître l’essence du

97

Sect. III

c.

fig(17). Mesure de l’humidité grâce à un humi dimètre

kh σmeasured σd = kfor tensile and for bending tensile and tests bending tests (7) h σmeasured

d

σd =for = σmeasured σmeasured compression for compression tests tests

(8)

ELH = EL12 [1E−LH0,=015(H EL12 [1− −12)] 0, 015(H − 12)]

(9)

H ER

12 H 12 ER [1E−R 0,=030(H ER [1− −12)] 0, 030(H

choc choc

fig(18).

(7) (8) (9)

point blanc point blanc

− 12)]

(10)

(10)

ETH = ET12 [1E−TH0,=030(H ET12 [1− −12)] 0, 030(H − 12)]

(11)

(11)

H 12 GT RH = ETGRT12 R[1 − = 0, E030(H −12)] 0, 030(H − 12)] T R [1−

(12)

(12)

H 12 − =0,E030(H −12)] 0, 030(H − 12)] GT LH = ETGLT12L[1 T L [1−

(13)

(13)

H 12 GL RH = ELGRL12 R[1 − =0, E030(H −12)] 0, 030(H − 12)] L R [1−

(14)

(14)

(1 − α)(H −(1H− 0 )α)(H − H0 ) ) ) + = ρH0 (1 + ρH = ρH0 (1ρH 100 100

(15)

M L3 6 M L3 6 M OEGR = 3, M78568 OEGR =3 3,278568 10 10 bh R bh3 R2

(16)

=

fig(19).

R=

Fonctionnement du GrindoSonic : fréquences prises dans la direction de la fibre

2.106 2.106 R= F −R F −R

P =

F S0

Le GrindoSonic

P =

F S0

(17) (18)

(15)

M : masse en g L (16) : longueur en mm b : largeur en mm h (17) : hauteur en mm F : fréquence mesurée en Hz (18)

Introduction

L’humidimètre

Cette méthode est très simple et rapide d’exécution. Cependant, nous ne pouvons pas dire qu’il s’agisse d’une méthode non-destructive puisqu’elle ne peut pas être réalisée directement sur la structure et que l’échantillon nécessaire est relativement grand (10mmx10mmx300mm au moins).

Les propriétés du bois varient fortement avec sa teneur en humidité. C’est pourquoi il est très important d’obtenir cette information lors de l’analyse d’échantillons. La teneur en humidité est la proportion d’eau relativement à la proportion de bois.

L’étude de ces techniques d’analyse semi et non-destructives nous a permis d’éliminer les méthodes inappropriées au vu de nos moyens.

Nous avons alors exclu les Ultrasons à cause de la mise en œuvre complexe et des coûts ainsi que les rayons-X trop nocifs pour la santé. De plus, nous avons éliminé la méthode utilisant les ondes électromagnétiques par manque d’informations. Ensuite, chacune des techniques d’analyse locales nous semblaient appropriées mais malheureusement le Pilodyn et le Résistographe avaient des délais de livraison trop importants comparés au temps alloué à ce travail. Cependant, il aurait pu être intéressant de les tester puisque ces techniques sont bien documentées et faciles d’utilisation. De plus nous n’utiliserons pas les tests de compressions avec les mors spéciaux mentionnés précédemment n’ayant pas pu nous les fournir.

L’outil est très facile d’utilisation, l’on vient simplement enfoncer deux aiguilles métalliques dans le bois. Ainsi, le courant électrique basse tension mesure le pourcentage d’humidité (fig(17)). Cet outil nous donne une estimation locale de la teneur en humidité. Cependant des traitements sur la surface du bois peuvent influencer les résultats. f.

La méthode de la fréquence de résonance La méthode de la fréquence de résonance est une technique reproductible utilisée pour déterminer les fréquences propres du bois. Cellesci peuvent être mesurées à l’aide d’un GrindoSonic par exemple (fig(18)). Une vibration est induite manuellement sur le bois et le GrindoSonic analyse alors la période naturelle des vibrations transitoires causées par cette perturbation (fig(19)). L’appareil transforme le signal reçu en un courant électrique de même fréquence et amplitude. [3] Une relation permet alors de trouver le module dynamique caractéristique (MOEGR) (équations (16) et (17)).

99

Sect. III

e.

Introduction

Au début de ce projet notre premier objectif était de comparer les propriétés et caractéristiques d’un bois neuf à celui d’un bois ancien présent dans une charpente. Nous voulions déterminer l’évolution du bois à travers le temps, le bois étant sujet à des chargements mécaniques. Mais en considérant les techniques à notre disposition, nous avons posé un œil nouveau sur notre projet et réorienté nos objectifs.

Ainsi, notre premier objectif est d’estimer si les techniques sélectionnées sont applicables au bois d’œuvre. En sachant que les propriétés du bois varient d’une essence à l’autre, il faut alors d’abord déterminer l’essence du bois étudié.

Pour cela, nous utilisons le MEB et le MO. Ensuite nous faisons l’hypothèse qu’il est possible de réaliser des essais de tractions sur des carottes de très petites dimensions extraites de la charpente. Ces tests permettent d’estimer le module d’élasticité dans le sens longitudinal radial. Pour évaluer la pertinence de notre supposition, nous allons d’abord réaliser des essais de traction selon le sens transverse sur du bois neuf. Ces tests nous donnerons des modules corrélables avec le module d’élasticité radial. Ensuite, on choisit deux autres techniques pour comparer le module d’élasticité radial trouvé sur le même bois et valider les essais de traction. Il s’agit des essais de compression et du GrindoSonic, méthode basée sur les fréquences

propres. Si ces techniques fonctionnent sur différents tests réalisés dans les mêmes conditions, notre second point est alors de comparer les résultats aux tables de références. En effet, le facteur d’échelle et la teneur en humidité ont un fort impact sur les propriétés du bois.

Une fois ces tests validés, notre second objectif est de caractériser le bois d’œuvre en remplissant la matrice de souplesse du bois étudié.

Etant donné que le bois peut être considéré comme un matériau isotrope transverse, nous devons déterminer les modules d’élasticité et coefficients de Poisson dans les sens longitudinal et perpendiculaire aux fibres. Une discussion sera alors menée pour évaluer la perte potentielle de propriétés mécaniques.

101

Sect. III

1.3. Nos objectifs : évaluer

l’intégrité de la structure

1.

2.

4.

3.

6.

Introduction

4.

En vue des objectifs, nous avons imaginé un protocole utilisant les techniques préalablement sélectionnées. Nous analyserons d’abord chaque méthode séparément avant de croiser nos résultats et de les discuter.

1.

Détermination de l’essence du bois en œuvre •

•

•

•

2.

3.

•

•

•

5.

Collecter un ensemble d’échantillon (in situ) Identifier le bois grâce au MEB en comparant les résultats à une base de données (en laboratoire) Identifier le bois grâce au MO en comparant les résultats à une base de données (en laboratoire) Valider et comparer les méthodes d’identification

Essais de traction sur un échantillon de bois jeune • •

•

Faire des carottes sur ce bois Faire des tests de traction dans les deux directions (dans le sens transverse et dans le sens longitudinal radial) Valider la méthode de l’essai, en fonction de sa reproductibilité

6.

Essais de compression sur un échantillon de bois jeune • •

•

Mesure à l’aide du GrindoSonic sur un échantillon de bois jeune

Faire des carottes sur ce bois Faire des tests de compression dans le sens des fibres Valider la méthode de l’essai, en fonction de sa reproductibilité

103

Faire des échantillons rectangulaires sur ce bois Comparer les résultats avec la base de données Valider la méthode de l’essai, en fonction de sa reproductibilité

Discuter de la pertinence de faire des essais de traction en fonction des résultats précédents • Intégrer les coefficients d’humidité et d’échelle liés aux échantillons d’étude • Comparer les résultats avec les autres essais réalisés • Comparer avec une base de données du bois • Valider la méthode de l’essai de traction pour notre étude • Déterminer le domaine et les conditions de validité

Essais de traction sur les échantillon de la charpente (si la méthode est validée) • Faire un ensemble de carottes dans l’église • Déterminer les modules d’élasticité • Comparer avec les résultats sur bois jeune • Discuter de l’état de la charpente

Sect. III

1.4. Le protocole

fig(20).

Eglise Saint-Jacques vue depuis la place de la mairie

fig(21).

fig(22).

Charpente de l’église Saint-Jacques

Méthodes

Voûte de l’église Saint-Jacques

ne possède pas de flèche, faute de moyen. (Même si cette-dernière était initialement prévue).

Dans cette partie, nous allons expliquer, pour chaque techniques sélectionnée, les matériels utilisés et notre approche.

2.1. études in situ Cette étape du protocole est essentiellement basée sur le « sens pratique » et l’expérience de travailleurs professionnels. Ici, le protocole est appliqué à la charpente d’une église située à La Planche (44140) (figures (20), (21) et (22)), un petit village au sud de Nantes. Tous les documents ci-dessous concernent cette église.

En 1891 sont installés l’horloge et le carillon de l’église. Puis, en 1931, Pierre Lemasson réalise les fresques de l’église. Enfin, en 2003, l’église se dote d’un orgue à tuyaux.

• • • • •

Plans de la charpente Appareil photographique Appareil de mesure Tarrière Coretax Haglöf Humidimètre DampFinder Compact, reference Laserliner 082.015A • Stockage pour les échantillons • Bouchons de bois 1

Faire des recherches en lisant des articles d’archives et en interrogeant les personnes concernées afin d’obtenir des informations qui pourraient orienter les opérations in situ (plans, travaux de rénovations, essence de bois...)

L’église Saint-Jacques, de style néo-gothique, a été édifiée en 1884.

Cette église présente une haute nef, un clocher-porche et un transept. Elle

105

Sect. III

2. Méthodes

fig(23).

Inspection visuelle

fig(24).

Annotations sur plans

fig(25).

Extraction

fig(26).

Mesure du taux d’humidité

fig(27).

Carottage et remplissage des trous

fig(28).

Récolte des échantillons

Méthodes

3

4

5

6

7

Identifier les zones d’études (fig(23)) - zones faciles d’accès (zones sécurisées, bonnes conditions de travail) - bonne qualité de surface du bois (l’utilisation de la tarière sur des zones endommagées ne permet pas la réalisation de carottes) Localiser les zones d’études sur les plans et faire des photographies (fig(24)) Réaliser 3 carottes de bonne qualités par zones sélectionnées (fig(25)): - une section constante - une longueur minimum de 50mm pour la machine de traction utilisée Déterminer 3 taux d’humidité en mesurant chaque zone (fig(26)) - calculer une moyenne pour une plus haute précision Mettre les bouchons de bois afin de ne pas affecter les capacités structurelles de la charpente (humidité, attaques fongiques, endommagement par insectes) (fig(27)).

Réaliser des photographies de chaque échantillon avant de réaliser les tests mécaniques (fig(28)).

107

Sect. III

2

a

g

fig(29).

a b c d e f g h i j

b

c

d

e

f

h

i

j

Différents échantillons placés sur le plateau

chêne, plan longitudinal radial échantillon de bois de charpente, plan longitudinal radial idem échantillon de bois de charpente, plan longitudinal tangentiel idem ruban adhésif en graphite peuplier, plan transversal peuplier, plan longitudinal radial sapin, plan transversal sapin, plan longitudinal radial

Le chêne, le peuplier et le sapin (a, g, h, i and j) sont des essences connues utilisées pour nous aider à identifier le bois présent dans la charpente.

Méthodes

2.2.1.

• •

Néanmoins, l’image peut-être un peu sombre et peu contrastée.

Microscope Electronique à Balayage (MEB)

1

Microscope éléctronique à balayage JEOL JSM-6060LA Des échantillons à analyser

Lors de l’observation en réglage conventionnel de matériaux peu conducteurs comme le bois, l’échantillon est soumis au mode high vacuum. L’image est alors sursaturée (trop brillante) à cause de l’accumulation d’électrons non évacués à la surface de l’objet. Il faut alors rehausser l’image, ce qui empêche une bonne observation. Pour analyser ce type d’échantillon, il est possible d’utiliser les deux méthodes suivantes : Métallisation des échantillons Le but est de recouvrir l’échantillon d’une très faible épaisseur de métal, cela peut être fait avec un pulvérisateur cathodique d’or.

La métallisation aide à réduire le phénomène d’accumulation d’électrons.

Utilisation du mode low vacuum Pour éviter la métallisation, nous avons décider d’utiliser le mode low vacuum. En vide grossier (1-100Pa), les molécules de gaz encore présentes permettent l’évacuation des électrons.

L’observation est possible grâce au détecteur d’électrons rétrodiffusés alors disponible dans ce mode.

109

2 3 4

5

Déposer l’échantillon sur le plateau (fig (29)) - Choisir des échantillons orientés dans différentes directions - Utiliser du ruban adhésif en graphite pour améliorer la conductivité et tenir les échantillons Mettre le mode low vacuum (60 Pa) Choisir le voltage (20 kV) Régler le MEB (contraste, luminosité, grossissement, mise au point...)

Polir les échantillons avec 3 différents disques (120 grains.cm-2, 320 grains.cm-2, 500 grains.cm-2) Si l’objectif avait été de voir les défauts du bois, ne pas polir aurait été la bonne démarche. Néanmoins, il est difficile de discerner la microstructure du bois à cause de la présence de trop nombreuses lignes dûes à la découpe.

(Malheureusement, nous n’avons pas poncé les échantillons, nous obtenons donc des images MEB impraticables). Grâce au polissage, il devient plus facile d’observer la structure du bois même s’il subsiste des lignes résiduelles de polissage. Un autre aspect négatif est que polir peut détruire des informations de surface du bois.

Sect. III

2.2. Essais en laboratoire

fig(30).

Échantillons bouillis avant l’observation

fig(31).

Romane utilisant le GrindoSonic pour déterminer la fréquence dans le plan transverse

Méthodes

• • 1

2

3

uniforme (sans nœuds) de différentes tailles : 20mm x 20mm x 300mm et 10mm x 10mm x 300mm.

Cela permet la corrélation des résultats malgré l’échelle des échantillons.

Optika Italy reference B-500 Des échantillons à analyser Préparer l’échantillon - S’il est trop sec, le faire bouillir durant une heure dans de l’eau.

Cela aidera pour la coupe. (fig (30)) - Couper les échantillons en tranches planes - Utiliser de la paraffine pour aplanir la surface de l’échantillon de bois si cela est nécessaire Déposer l’échantillon sur le plateau (Choisir des échantillons orientés dans différentes directions) Ajuster le MO - Régler le grossissement en partant du plus petit - Ajuster la lumière et le contraste

1 2

2.3. Méthode de la fré quence de résonnance • •

• •

•

GrindoSonic J.W Lemmens, référence MK5.

Humidimètre DampFinder Compact, référence Laserliner 082.015A Balance Radwag référence PS 6100.X2.M (précision 10-2 g) Pied à coulisse Mitutoyo référence CD-20DC (précision 10-6 m) Échantillons rectangulaires

3

4

111

Mesurer et peser l’échantillon Mesurer la fréquence axiale de résonance comme montrer dans les figures (18), (19) et (31).

- Déposer vos échantillons sur un support en mousse - Le choc est appliqué perpendiculairement à l’échantillon et tangentiellement à ces cernes, au milieu de l’échantillon (fig(24)).

-Sur chaque échantillon, faire une moyenne de sept lectures de fréquence (kHz) en excluant les mesures anormales ou trop lointaines des fréquences propres.

Pour assurer une bonne précision des résultats, nous recommandons de mesurer la fréquence axiale de résonance par deux différents techniciens. Ainsi, les fréquences sont indépendantes de la manière dont le technicien tape l’échantillon et de la manière dont il sélectionne les valeurs.

Déterminer le module d’élasticité en utilisant les équations (16) et (17). Pour les échantillons de 10mm x 10mm x 300mm, appliquer le facteur kh = 1,3 (équation (3)) Comparer les résultats

Sect. III

2.2.2. Microscope Optique (MO)

fig(32).

Une carotte mise entre des mors en V avec l’extensomètre en place

Méthodes

• • •

• • •

1 2 3

4 5 6

7 8

9

Machine de traction Instron reference 5584 équipée de mors en V Logiciel d’acquisition de données Instron Bluehill Humidimètre DampFinder Compact, référence Laserliner 082.015A Balance Radwag référence PS 6100.X2.M (précision 10-2 g) Pied à coulisse Mitutoyo référence CD-20DC (précision 10-6 m) Carottes (5mm diameter and 70mm long)

10 11 12

Mesurer et peser les échantillons Régler les paramètres de l’essai Régler la charge : une très haute valeur (1000N) est recommandée afin d’arrêter le test manuellement Régler la vitesse : une vitesse faible (1mm.min-1) Régler le nombre de points d’acquisition (10points.s-1) Régler les valeurs de sorties - déplacement de l’extensomètre - déformation - charge - temps Tarer la charge Mettre les échantillons dans les mors - serrer suffisamment pour éviter le glissement - s’assurer de ne pas écraser l’échantillon - vérifier qu’une distance minimale de 20 mm entre les mors est gardée et qu’une longueur de 5mm soit laissée à l’intérieur des mors

113

Placer l’extensomètre sur l’échantillon (fig(32)).

- vérifier que les deux couteaux touchent l’échantillon et soient maintenus grâce aux élastiques - enlever l’aiguille qui maintient la distance étalonnée Tarer la déformation Commencer l’essai Arrêter manuellement : - lorsque suffisamment d’informations sont captées - si l’échantillon glisse entre les mors

Sect. III

2.4. Essais de traction

fig(33).

Un échantillon rectangulaire de sapin au début de l’essai de compression

Méthodes

•

• •

• • •

1 2

3

4

Machine de traction Instron référence 5584 équipée de plateau plat Logiciel d’acquisition de données Instron Bluehill Humidimètre DampFinder Compact, référence Laserliner 082.015A Balance Radwag référence PS 6100.X2.M (précision 10-2 g) Pied à coulisse Mitutoyo référence CD-20DC (précision 10-6 m) Échantillons rectangulaires (sans nœuds) d’une taille de 20mm x 20mm x 50mm

5 6 7

8 9

Mesurer et peser l’échantillon Régler les paramètres pour l’étape d’accommodation : - Régler la charge : -400 N à 200 N.min-1 - Régler la décharge : 200 N à 200 N.min-1 - Régler la vitesse : une vitesse faible (0,6 mm.min-1) - Faire 3 répétitions Cette répétition de charges et de décharges permet d’aplanir la surface en contact avec le plateau supérieur. Grâce au parallélisme des surfaces de contact, l’effort est uniformément réparti.

Régler les paramètres de l’essai : - Régler la vitesse : une vitesse faible (0,6mm.min-1) - Régler la déformation : déformationmax = 20 mm - Régler le nombre de points d’acquisition (1 points.s-1)

115

Régler les valeurs de sorties - déplacement machine - charge - temps Placer l’échantillon au milieu du plateau inférieur (fig(33)) Tarer la charge Faire descendre le plateau supérieur jusqu’à ce qu’il touche presque l’échantillon Tarer la déformation Arrêter l’essai manuellement lorsque : - suffisamment d’informations sont captées - l’échantillon commence à fissurer

Sect. III

2.5. Essais de compression

2

Bois de la charpente

2 1

1

Bois jeune d’épicéa fig(34).

Schéma du bois coupé dans son plan longitudinal radial

fig(35).

Échantillons observés selon le plan longitudinal radial

1 Bois jeune d’épicéa 1

2

fig(36).

2

Photographie MEB d’épicéa, x120, 20kV

fig(37).

Photographie MEB d’épicéa,, x850, 20kV

2 Bois de la charpente 2

2

1

fig(38).

Photographie MEB de la charpente, x140, 20kV

1 Trachéide

fig(39).

Photographie MEB de la charpente, x900, 20kV

2

Passage inter-cellulaire

Identification de l’essence du bois

3.1. Résultats du MEB Nous avons fait deux tests différents : avec et sans préparation de l’échantillon. Puis, nous avons comparer les images des échantillons de la charpente avec des images de référence de bois dur et tendre.

Pour le plan longitudinal radial (fig(40)), nous trouvons des similarités entre les échantillons (fig(35)) de la charpente et l’échantillon d’épicéa. De plus, nous observons des lignes de trachéides côtes à côtes facilement reconnaissables grâce à leurs orientations dans le plan. En outre, nous remarquons des passages inter-cellulaires qui permettent la connexion entre les trachéides. Ils ne peuvent être observés que dans le plan transversal (figures (36) et (37)). Dans les échantillons inconnus, nous observons les même géométries et dimensions que l’épicéa.

Nous en concluons que c’est surement la même essence ou la même famille de bois (figures (38) et (39)).

117

Sect. III

3. Identification de l’essence du bois

2

Bois de la charpente (non poli)

1

Bois jeune d’épicéa (poli) fig(40).

Schéma du bois coupé dans son plan transversal

fig(41). & fig(42).

Échantillons observés dans le plan transversal

1 Bois jeune d’épicéa 1

3

2

fig(43).

Photographie MEB d’épicéa, x15, 20kV

fig(44).

Photographie MEB d’épicéa, x100, 20kV

2 Bois de la charpente

4 1

2

fig(45). Photographie MEB de la charpente, x23, 20kV

fig(46).

Photographie MEB de la charpente, x140, 20kV

1 2

3 4

Trachéides dans des cernes d’hiver

Cernes d’été Cernes d’hiver (bois plus poreux)

Tranches d’une trachéide coupée

Identification de l’essence du bois

L’observation par le MEB permet de déterminer les avantages et les inconvénients de polir un échantillon.

Pour les échantillons non polis, même si l’on ne peut pas voir des détails intéressant à fort grossissement parce que des surface de bois sont arrachés lors de l’extraction, il est plus facile de discerner des défauts comme les moisissures, les fissures (fig (46))… Cependant, il faut savoir que les éraflures de surface peuvent également être causées par la méthode d’extraction. Pour les échantillons polis, il est possible de voir la microstructure à fort grossissement. Néanmoins, nous remarquons souvent des stries, dûes au polissage, qui peuvent perturber l’analyse.

119

Sect. III

Pour le plan transversal (figures (40), (41) et (42)), nous remarquons surtout les différences de porosités entre les cernes d’été et les cernes d’hiver (figures (43) et (44)). Ici encore, l’essence de bois inconnue est comparable à l’épicéa, de part ses échelles, ses dimensions et l’apparence des ses cernes (figures (45) et (46)).

vaisseaux

vaisseaux

bois d’été

bois de printemps

1 Bois de chêne (bois dur)

fig(47).

Photographie MEB montrant un bois feuillus à pores diffus [5]

fig(48).

Photographie MEB montrant un bois feuillus à zones poreuses [5]

plan radial

plan tangen

1 Fig.(1.8) Observation microscopique d'un bois feuillu à zones poreuses.

Observation microscopique d'un bois feuillu à pores diffus. La oire de matériaux de construction 7 à cause des pores diffus. distinction du cerne annuel est difficile

Fig. (1.7)

2

vaisseaux

Fig. (1.5)

fig(49).

Observation microscopique d'un bois résineux, plan transversal plan radial R et plan tangentiel T. Le plan X contient trois cern annuels. Les cellules du bois de printemps sont visibles tandis q bois d’été bois de printemps les cellules du bois d'été sont difficiles à distinguer.

Photographie MEB de chêne, x15, 20kV fig(50). Photographie MEB de chêne, x70, 20kV

2 Bois d’épicéa (bois résineux) canal résinifère

fig(51).

plan tangentiel

Photographie MEB montrant la structure avec des cernes d’un bois résineux [5]

an radial

Observation microscopique d'un 2 bois feuillu à zones poreuses.

Fig.(1.8)

. (1.5)

canal sinifère

fig(52). Photographie MEB montrant la struc plan tangentiel ture uniforme d’un bois résineux [5]

plan radial

2

1

Fig. (1.6) Observation microscopique d'un bois résineux à structu Observation microscopique d'un bois résineux, planuniforme. transversal X, 1 Le plan X contient trois cernes plan radial R et plan tangentiel T. annuels. Les cellules du bois de printemps sont visibles tandis que les cellulesPhotographie du bois d'étéMEB sontdedifficiles à distinguer. fig(53). la charpente, x17, fig(54). Photographie MEB de la charpente, x75, 20kV

20kV

1

Cernes d’hiver

2

Cernes d’été non visible

Identification de l’essence du bois

121

Sect. III

Nous pouvons établir des différences notoires entre le bois dur et le bois tendre, comme montré ci-contre. Sur un échantillon de chêne (figures (47), (48), (49) et (50)), nous identifions clairement les trachéides d’hiver (celles d’été ne sont pas visibles) . A contrario, pour les mêmes grossissements (x20 et x70), les trachéides d’hiver sont difficilement visibles sur l’échantillon d’un bois résineux ainsi que celui de la charpente (figures (51), (52), (53) et (54)). Cela confirme notre hypothèse : l’essence de bois de la charpente appartient à la catégorie des bois résineux.

1 Photographies selon le plan longitudinal radial

X10 fig(55).

Photographie OM du bois inconnu, x10

X50 fig(56).

Photographie OM du bois inconnu, x50

X50

X10 fig(57).

Photographie OM du bois de sapin, x10

fig(58).

Photographie OM du bois de sapin, x50

2 Photographies selon le plan longitudinal tangentiel :

X10 fig(59).

Photographie OM du bois inconnu, x10

X20 fig(60).

Photographie OM du bois de sapin, x20

3 Photographies du bois de chêne selon le plan longitudinal transverse

X10 fig(61).

X20

Photographie OM du chêne, x10 et x20

fig(62).

Chêne [6]

Identification de l’essence du bois

En complément du MEB, nous avons réalisé des observations au microscope optique. Nous avons choisi trois types de bois : celui de la charpente (figures (55), (56) et (59)), un bois de sapin (figures (57), (58) et (60)) et un bois de chêne (fig. (61)).

Nous obtenons des résultats convaincant pour l’observation du bois de la charpente et du bois de sapin selon le plan longitudinal radial (1 : figures (55) à (58)) et le plan longitudinal tangentiel (2 : figures (59) à (60)) d’une part, et d’autre part pour l’observation du bois de chêne selon le plan longitudinal radial et le plan transverse (3 : figure (61)). Pour commencer, nous remarquons une similitude importante de la structure interne du bois inconnu et du sapin (figures (55) à (58)), alors que celle du chêne diffère largement (fig (61)). De plus, la comparaison de nos observations avec des images de référence (figures (63) à (67) et figures (68) à (72)) valide notre analyse, comme nous pouvons le voir dans les photographies page suivante.

123

Sect. III

3.2. Resultas du MO

2 Comparaison avec la base de données wood anatomy [6] selon le plan longitudinal radial :

fig(63).

Noisetier [6]

fig(64).

Épicéa [6]

fig(65).

Chêne [6]

fig(66).

X50

X10 fig(67).

Sapin [6]

Peuplier [6]

Rappel : fig (55). et fig (56), bois de la charpente

2 Comparaison avec la base de données wood anatomy [6] selon le plan longitudinal tangentiel :

fig(68).

Noisetier [6]

fig(69).

Épicéa [6]

fig(70).

Chêne [6]

fig(71).

Peuplier [6]

X10 fig(72).

Sapin [6]

Rappel : fig (59), bois de la charpente

Identification de l’essence du bois

Sans recherches préliminaires sur le site d’étude, nous n’avions aucune idée de l’essence du bois de la charpente.

Une première inspection visuelle des carottes nous fait penser qu’il s’agit sûrement d’un bois tendre. Ensuite, les deux techniques de microscopie nous permettent de faire une identification plus précise : la charpente est faite en sapin. Même si nous n’avons presque pas préparé nos échantillons, notamment pour le microscope optique, cette technique permet de reconnaître la microstructure du bois par comparaison avec une base de données [6]. Cependant, une meilleure préparation des échantillons (aplanir la surface avec de la paraffine, utiliser des filtres) aurait permis de réaliser des images plus exploitables.

technique de carottage. Le microscope optique est probablement le meilleur outil pour notre étude puisque son utilisation est plus facile et plus rapide.

De plus, nous avons une base donnée très complète de photographie réalisée au microscope optique[6].

3.4. Discussion : techni ques de microscopie Pour les deux techniques de microscopie il aurait été bien de faire des recherches préliminaires sur l’église afin d’avoir une idée de l’essence de bois utilisée.

De fait, la comparaison avec la base de donnée aurait été plus rapide et facilitée. Utiliser un MEB n’est pas réellement nécessaire pour reconnaître l’essence de bois mais il peut être utile pour analyser les défauts et observer le relief. Cependant, il faut être prudent avant de donner des conclusions : les défauts remarqués peuvent être dûs à la

125

Sect. III

3.3. Résultats croisés : Microscopie

fig(73).

fig(75).

σd = kh σmeasured for tensile and bending tests

(7)

σd = σmeasured for compression tests

(8)

Échantillon ASF H

fig(74).

EL = EL12 [1 − 0, 015(H − 12)]

Échantillon BSF

H 12 ER = ER [1 − 0, 030(H − 12)]

(10)

ETH = ET12 [1 − 0, 030(H − 12)]

(11)

GT RH = ET R12 [1 − 0, 030(H − 12)]

(12)

Échantillon CSF

fig(76).

GT LH = ET L12 [1 − 0, 030(H − 12)]

Échantillon DSF

(13) EL (MPa) (premier essai)

EL (MPa) (deuxième essai)

CSF

10 300

16 900

(1 − α)(H − H0 ) DSF ) 100 ESF

15 100

Échantillon

GL R

H

12

= EL R [1 − 0, 030(H − 12)]

ρH = ρH0 (1 +

fig(77).

(9)

M OEGR = 3, 78568

Échantillon ESF

M L3 table(2).

106 bh3 R2

2.106 R= F −R P =

F S0

15 740

(14)

13 430

(15)

15 330

Modules d’élasticité selon le plan (16)deux essais transverse obtenu pour réalisés sur le même échantillon

(17) (18)

Résultats : Mise en œuvre des techniques d’analyse sur du bois neuf

4.1. Résultats des essais

de traction Nous avons fait des essais de traction sur cinq échantillons, aussi homogène que possible (dépendant de nos moyens matériels), selon le plan transversal , de bois neuf (figures (73) à (77)).

intéressantes, nous obtenons 8 modules (sur 12 essais de traction) proches des valeurs attendues pour un bois résineux, entre 10 294 MPa et 19 514 MPa. Les résultats sont présentés dans la figure (78).

Nous avons lancé les essais et suivi l’évolution des courbes chargesdéformations, enregistrées grâce à l’extensomètre. Les courbes sont linéaires pour une déformation incluse entre [0,5 .10-3] et [2,5.10-3].

Toutefois nous choisissons de continuer les tests sans endommager les échantillons.

Comme les échantillons n’étaient ni endommagés, ni rentrés dans le domaine plastique, nous avons fait plusieurs essais sur les mêmes échantillons. En effet, les essais sont souvent arrêtés à cause du glissement des échantillons entre les mors. Il est alors surprenant de ne pas obtenir le même résultat pour les essais fait sur le même échantillon (table(2)). Parfois, la seconde mesure est plus haute que la première et parfois elle est plus basse.

Ensuite, pour obtenir le module d’élasticité longitudinal EL, nous traçons la courbe des contraintes en fonction de la déformation mesurée par l’extensomètre (équation (18)).

En sélectionnant les données

127

Sect. III

4. RéSUltats : Mise en œuvre des techniques d’analyse sur du bois neuf

Tensile Test on Pine wood (longitudinal direction)

Tensile Test on Pine wood (longitudinal direction)

45 45

40 40

35

Contrainte Piola Kirschoff F/S0 (MPa)

Stress Piola Kischoff Kischoff (F/S0) (F/S0)(MPa) (MPa) Stress Piola

35

30

30

25

25

(E=10561 MPa) BSF (E=10561BSF MPa) (E=10294 MPa) CSF (E=10294 CSF MPa)

(E=15086 MPa) DSF (E=15086DSF MPa) 20 20

(E=15335 MPa) ESF (E=15335 ESF MPa) ASF1 (E=19514 MPa) ASF1 (E=19514 MPa) CSF1 (E=16887CSF1 MPa) (E=16887 MPa) DSF1 (E=13436 MPa) DSF1 (E=13436 MPa) ESF1 (E=15738ESF1 MPa) (E=15738 MPa)

15 15

Sample number Sample number and their and their modulus of modulus of longitudinal elasticity longitudinal

10

10

elasticity

5

5

0

-0,0005

0 0 0

-0,0005

-5

-5

0,0005

0,0005

0,001

0,001

0,0015

0,002

0,0015

0,0025

0,002

0,003

0,0025

Strain (mm/mm) Déformation l/l0 (mm/mm) ² Strain (mm/mm)

fig(78).

Test de traction sur une bois de sapin (selon le plan transversal)

fig(79).

Fragilité des échantillons du bois de sapin selon le plan longitudinal radial lors de tests de traction

2

l : déplacement des couteaux de l’extensomètre donné par la machine, en mm l0 : distance initiale entre les deux couteaux donné par la machine, en mm Cette formule reste valable pour les graphiques où la déformation est utilisée ( graphs (80), (83), (84) et (85)).

Résultats : Mise en œuvre des techniques d’analyse sur du bois neuf

0,003

129

Sect. III

Nous avions aussi la volonté de faire des tests de traction sur 5 échantillons, aussi homogènes que possible, extraits, avec la tarière dans les plans longitudinal radial et longitudinal tangentiel du bois neuf. Dans ce sens le bois est plus fragile, et au vu leurs dimensions, nos échantillons le sont d’autant plus. Ils cassent avant même que l’on ait lancé le test. En effet, la pression induite par les mors et la pose de l’extensomètre sont des facteurs d’endommagement des échantillons (fig (79)). Nous sommes alors contraintes d’abandonner les tests. Néanmoins le bois de la charpente, étant en œuvre, est plus humide et donc moins poreux et moins fragile. C’est pourquoi , il nous a semblé utile d’effectuer des tests sur les échantillons de la charpente, bien qu’ils aient été extraits dans le plan longitudinal radial.

Contrainte Piola Kirschoff F/S0 (MPa)

60

50

40

Y sample (E=442

30

Z sample (E=36

W sample (E=44 20

V sample (E=281

10

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

Déformation l/l0 (mm/mm) Échantillon Y (E=4424 MPa) Échantillon Z (E=3650 MPa) Échantillon W (E=4408 MPa) Échantillon V (E=2819 MPa) fig(80).

Test de compression sur du bois de sapin (selon le plan transversal)

Résultats : Mise en œuvre des techniques d’analyse sur du bois neuf

0,06

Sect. III

4.2. Résultats des tests de compression En complément au test de traction, nous avons observé le comportement, du même bois neuf en compression.

Nous avons fait des tests dans le plan transverse sur quatre échantillons de mêmes dimensions. Nous avons obtenu des courbes contraintesdéformations, présentées sur le figure (80) ci-contre. Le module d’élasticité que nous déduisons de ces courbes est très en dessous de ceux mesurés en traction. Ils sont compris entre 2 819 et 4 424 MPa, soit 5 fois inférieur au résultat en traction. A la différence des test de traction, les courbes atteignent un point culminant avant la ruine des échantillons. Ce point correspond à la résistance à la compression, dont la valeur moyenne est de 47 MPa, corrélable à la résistance à la traction, Rt=2Rc .

131

Module d’élasticité (GPa)

Sapin H

Sapin I

Sapin J

Sapin F

Échantillons fig(81).

Dispersion de la fréquence de résonance axiale en fonction de différents échantillons Sapin I

Sapin J

Sapin F

Module d’élasticité (GPa)

Sapin H

Sapin F

Sapin G

Sapin H

Sapin I

Sapin J

Sapin L

Moyenne (F, G, H, I, J & L)

Bois résineux

Bois feuillus

Béton 1

Échantillons fig(82).

Modules d’élasticité selon le plan transversal en fonctions de différents échantillons

Résultats : Mise en œuvre des techniques d’analyse sur du bois neuf

Béton 2

Sect. III

4.3. Résultats de la mé thode de la fréquence

de résonance Pour chaque résultat, fourni par le GrindoSonic, nous avons appliqué les équations (3) et (16), avec kh = 1 pour F, G, H, I et kh = 1,3 pour J et L. Au vue de la faible dispersion des valeurs obtenues, cette technique est reproductible.

En effet, l’écart-type moyen observé pour l’échantillon H est de 0,15 comme montré sur la figure (81).

Quand nous avons fait le moyenne de EL, pour chaque échantillon, nous avons obtenu des valeurs comprises entre [10,6 ; 14,4] GPa, (fig(82)), proche de la valeur de référence (EL ref = 12,7GPa).

Nous avons trouvé une valeur moyenne de EL = 12,14 GPa. De plus, la dispersion des résultats pour les six tests est négligeable à côté de modules plus importants comme ceux du béton et du métal.

133

45

40

Contrainte Piola Kirschoff F/S0 (MPa)

35

30

25

20

15

10

5

0

0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025

Déformation l/l0 (mm/mm) ESF1 ESF1 (scale factor taken into account) ESF1

ESF1 (facteur d’échelle pris en compte) ESF1 (facteur d’échelle pris en compte & taux d’humidité à 12% (d’après table de référence)) ESF1 taken account&& moisture content : 20% (in the ESF1 (scale (facteurfactor d’échelle prisinto en compte taux d’humidité à 12% (comme dansframework)) la charpente)

ESF1 (scale factor taken into account & moisture content : 12 % (in reference table))

fig(83).

Essai de traction sur l’échantillon ESF avec prise en compte du facteur d’échelle et de la teneur en humidité

Résultats : Mise en œuvre des techniques d’analyse sur du bois neuf

Nous avons lancé 3 séries de tests sur le bois neuf, dont l’espèce était proche de celle de la charpente. Le but était de caractériser ses propriétés en mesurant sa rigidité dans la direction des fibres (plan transverse), EL. En effet les fournisseurs de bois et les constructeurs utilisent les caractéristiques du bois (rigidité et résistance) dans cette direction.

pour un échantillon de petite dimension diminue quand il est appliqué à une élément entier de la charpente. À cela, nous ajoutons un facteur d’humidité.

Les échantillons collectés ayant une humidité de 6 %, nous avons adapté nos résultats pour pouvoir les comparer, d’une part, à des bases de données (humidité de 12 %) et, d’autre part, à la charpente (humidité de 20 %). Même si ce dernier n’est pas comparable, car les tests effectués n’ont pas été faits sur des échantillons de la charpente, il nous donne une idée quant à la perte de propriétés dûe à l’humidité (figure (83)).

Nous obtenons des résultats similaires de module d’élasticité dans le sens des fibres EL, en utilisant la méthode des fréquences de résonance et les tests de traction. Cela nous permet de valider ces techniques pour l’analyse du bois.

Simultanément, nous réalisons des tests de compression, qui ne nous donnent pas les mêmes modules que les deux méthodes précédentes.

Nous discuterons de cet écart et des conditions d’essai dans la suite de ce rapport. De plus, ces tests, comme ceux faits avec le GrindoSonic, ne sont pas applicables à des échantillons prélevés in-situ. Pour notre étude, il ne sont utiles qu’à la validation ou la comparaison des résultats.

Malgré cela, nous décidons d’adapter ces tests à la «réalité», c’est-à-dire dans les conditions d’une charpente réelle.

Nous appliquons un facteur d’échelle, équations (5) et (6). Le module obtenu

135

Sect. III

4.4. Résultats croisés des

techniques d’analyse

du bois dans le plan transversal

Tensile test on wood of the framework (radial direction) 1,6

Contrainte Piola Kirschoff F/S0 (MPa)

Stress Piola Kirschoff (F/S0) (MPa)

1,4

1,2

1

2A 2B 2C 2D 2E 3B 3D

2A 2B 2C 2D 2E 3B 3D

0,8

1 0,6

0,4

0,2

0

-0,005

0

0,005

6

0,015

0,02

0,025

0,03

Déformation l/l0 (mm/mm)

-0,2

fig(84).

0,01

Strain (mm/mm) Drill core of the framework's wood compared to a spruce sample (radial direction)

Essai de traction sur les échantillons de bois de la charpente (plan longitudinal radial)

5

2

-0,005

Contrainte Piola Kirschoff F/S0 (MPa)

Stress (MPa)

4

2A 2B 2C 2D 2E 3B 3D Épicéa

3

2

1

1

0 0

0, 005

0, 01

0, 015

0, 02

0, 025

Déformation l/l0 (mm/mm) -1

fig(85).

Strain (mm/mm)

Comparaison des essais de traction entre les échantillons de la charpente et l’échantillon d’épicéa (plan longitudinal radial)

Résultats : Mise en œuvre des techniques d’analyse sur du bois neuf

0, 03

2A 2B 2C 2D 2E 3B 3D Spruge

décrire les propriétés mécaniques de le charpente. Comme montré ci-dessus, nous n’avons pas obtenu de résultats positifs. C’est pourquoi nous discuterons dans la suite des méthodes d’extraction d’échantillons.

Enfin, nous avons réalisé une série de test de traction sur des échantillons de la charpente. Pour 7 échantillons, nous obtenons des courbes contraintesdéformations linéaires avant qu’ils ne cassent. Nous pouvons alors nous attendre à en déduire le module d’élasticité. Mais, en comparaison à nos tests de traction dans la direction longitudinale, nos valeurs sont très dispersées pour un même test. De plus si on superpose les courbes des différents tests, sur un même graphique, on note une large dispersion.

Ce constat nous prouve que les modules d’élasticité dans le sens longitudinal radial ne peuvent être obtenus avec ces résultats expérimentaux. Ces résultats sont présentés sur la figure (84).

De plus, nous ne pouvons corréler aucun résultat de ces tests, car nous n’avons pas fait de tests dans la direction radiale sur un échantillon de bois neuf. En effet, les échantillons étaient trop fragiles car extraits d’un bois neuf trop sec.

À titre de comparaison, nous avons fait un test sur un échantillon d’un bois neuf, proche de celui de la charpente, mais dont la méthode de prélèvement était différente. Le résultat diffère largement et nous trouvons le module d’élasticité radial attendu. Le résultat est présenté dans la figure (85). Nous en discuterons par la suite.

Puisque nous n’avions collecté qu’un seul type d’échantillon, résultant de l’outil dont nous disposions pour le prélèvement, nous avons uniquement réaliser des tests de traction dans la direction radiale, dans le but de

137

Sect. III

4.5. Résultats : Choisir des

techniques pour ca ractériser une char pente

fig(86).

Échantillon 2a de la charpente, plan longitudinal radial

fig(87).

Échantillon 2d de la charpente, plan longitudinal radial

fig(88).

Échantillon d’épicéa, plan longitudinal radial

Discussions

Sect. III

5. Discussion 5.1. Méthode d’extraction

et test de traction

sens radial. Cependant, des études supplémentaires devraient être menées pour confirmer notre hypothèse.

Les carottes que nous avons collectées grâce à la tarière manuelle n’étaient pas uniformes. De plus, leurs sections n’étaient pas constantes et de nombreuses imperfections de surfacesont été créées à cause de l’outil d’extraction. Les premiers centimètres de l’échantillon (correspondant à la surface de la poutre) sont impraticables car les contacts extérieurs dégradent immédiatement la surface. Comme nous pouvons le voir sur les figures (86) et (87), ces défauts sont encore plus importants pour les carottes collectés dans la direction radiale. On peut se demander s’il existe une relation entre ce fait et les raisons pour lesquelles nous ne trouvons pas de résultats convaincants lors d’essais de traction dans le sens radial. Pour apporter des éléments de discussion, nous réalisons un carottage en utilisant une autre méthode (découpe de parallélépipède puis ponçage pour obtenir un cylindre) de plus grand diamètre (7 mm).

L’échantillon principal est illustré à la figure (88). La courbe 2 de la figure (85) représente les résultats trouvés pour cet échantillon d’épicéa. On retrouve un module d’élasticité de 380 MPa, ce qui correspond à des valeurs de référence pour cette direction. Ce graphique laisse penser que les essais de traction pourraient éventuellement donner des résultats convaincants même dans le

139

table(3). Extrait d’une fiche technique d’un fournisseur de bois [8]

fig(89).

Extraction des mésospecimens avec une scie sauteuse [4]

15 cm

fig(90).

Mésospecimen extrait [4]

fig(91).

Discussions

Mésospecimen [4]

organique et hétérogène. Nous aurions probablement trouvé de plus grandes différences dans la direction radiale en raison de l’anatomie du bois plus hétérogène qui nécessite également une extraction plus complexe. Dans cette perspective, on peut se demander si cette hétérogénéité permettrait de caractériser la perte de propriétés. Si une perte de propriétés importante pour une structure en bois est du même ordre de grandeur que l’écart dû à l’hétérogénéité du matériau, alors ces tests ne permettraient pas de conclure facilement sur l’état de la structure.

Vu sous cet angle, il pourrait être intéressant de trouver des méthodes pour créer des échantillons dans le sens longitudinal dans des structures comme des charpentes. De temps en temps, l’extrémité de la poutre pourrait être accessible mais on peut imaginer que cela ne sera pas toujours possible et ne permettra pas de caractériser l’ensemble de la structure. En regardant dans la littérature scientifique [4], nous trouvons une autre façon de faire des échantillons en créant des mésospécimens en sciant le coin du faisceau (fig (89), fig(90) et fig (91)).

Cependant, cela ne permettrait d’avoir accès qu’à des mesures superficielles du bois. De plus, cette approche est également plus destructrice et s’écarte un peu de notre objectif initial.

Sur une charpente, les échantillons radiaux sont plus faciles à extraire et permettraient d’avoir une vision plus large de l’état de la structure. C’est pourquoi nous voulions également

141

Sect. III

Nous pouvons également discuter de la pertinence de nos résultats dans le sens longitudinal en utilisant la même méthode d’échantillonnage. Comme nous l’avons dit précédemment, nous trouvons le même ordre de grandeur pour les essais de traction et la méthode de résonance. On observe cependant une certaine diffusion des données entre 10294 MPa et 19514 MPa. De plus, nous voyons également dans le tableau (2) que nous n’obtenons pas deux fois les mêmes résultats même lorsque nous effectuons des essais de traction dans le même échantillon. On peut supposer que le jeu mécanique de la machine et le passage dans les mâchoires sont probablement en partie responsables de cette variabilité.

Ensuite, nous comparons nos résultats avec ceux d’un fournisseur de bois [8] (table (3)). Pour les essais de traction effectués sur des échantillons de pin, nous trouvons un module d’élasticité moyen de 10 316 MPa après avoir appliqué le facteur d’échelle et les facteurs de teneur en humidité. Nous calculons également l’écart type qui vaut 2040 MPa. La gamme de données fournies par le fournisseur de bois pour un nouveau bois de pin d’une valeur de 14300 MPa avec un écart type de 3000 MPa. Les valeurs que nous trouvons sont du même ordre de grandeur que celles du fournisseur de bois. De plus, l’écart type par rapport à la moyenne vaut environ 14% ce qui est similaire à la valeur trouvée dans [2]. Dans cet article, ils estiment que cette valeur est suffisamment petite pour être fiable.

Cette dispersion de données exprime le fait que le bois est un matériau

2

point 2 :

L = 40 mm

σ = 27 MPa ε = 0,5/4 = 0,125

fig(92).

1

So E

= 2 160 MPa

Extrait de la thèse de Yang-Zhang [9]

table(4). Resultats des tests de compression extrait de la thèse de Yang-Zhang [9]

point 2 :

σ = 5,05 MPa ε = 0,0082 So E

fig(93).

= 616 MPa

Tests de compression dans le sens longitudinal sur l’échantillon ER3, extrait de la thèse de Anh-Tuan Dinh [2]

table(5). Tests de compression, extrait de la thèse de Anh-Tuan Dinh [2]

Discussions

Lors des essais de traction, nous ne trouvons pas le coefficient de Poisson.

Le fait que nos échantillons soient circulaires rend difficile la réalisation d’un mouchetis. Cependant, nous aurions probablement pu le trouver en utilisant un fond sombre et en utilisant une corrélation d’image si nécessaire pour compléter la matrice de souplesse.

5.2. Test de compression Dans cette partie, nous allons essayer d’expliquer la différence de module d’élasticité observée dans les essais de compression et de traction.

Tout d’abord, nous pouvons discuter des conditions des tests de compression.

Nous n’avons pas utilisé d’extensomètre et extrait directement le déplacement de la machine pour calculer la déformation. Cela pourrait entraîner des erreurs en raison de la rigidité de la machine si, à la fois, la machine et les échantillons se déformaient pendant le test. Cependant, le bois est suffisamment mou pour qu’on néglige ce phénomène.

De plus, on retrouve à peu près les mêmes courbes que Na Yang et Lei Zhang dans leur article «Investigation

of elastic constants and ultimate strengths of Korean Pine from compression and tension tests» [9]. À l’aide de leurs courbes (fig(92)), nous déterminons un module d’élasticité de 2160 MPa et une résistance à la traction maximale de 38 MPa. Ils trouvent la même résistance maximale à la traction que nous avons déterminée. Cependant dans cet article, ils choisissent finalement une autre valeur de module (8 856 MPa) (table (4)) qui correspond à des tables de références : la même qui est lisible sur les graphes de traction.

Nous faisons la même observation dans l’article intitulé «Comportement élastique linéaire et non linéaire du bois en relation avec sa structure» écrit par Anh Tuan Dinh [2] pour les tests de compression réalisés dans les directions radiales et tangentielles.

Nous lisons sur le graphique (fig (93)) un module d’élasticité de 616 MPa pour un échantillon d’épicéa dans le sens radial mais ils déterminent finalement une valeur de 840 MPa (tableau (5)) qui est plus proche des valeurs de référence.

C’est pourquoi nous nous demandons s’il faut appliquer un rapport au module d’élasticité obtenu à la lecture du graphique du test de compression.

Enfin, nous trouvons dans l’Eurocode 5 EN1995 [7] qu’il existe 2 modules différents pour la traction et la compression. Néanmoins un seul est utilisé dans les réglementations applicables, celui de la traction.

Sachant cela et que nous ne trouvons pas de bonne méthode pour corréler le module de traction et de compression, nous recommandons de déterminer

143

Sect. III

discuter des différentes façons de créer des échantillons de carottes radiales.

Davantage de recherches devraient être menées en utilisant une tarière mécanique et en testant différentes tailles d’échantillons, probablement un peu plus grandes selon les essences de bois.

fig(94).

Une chouette équipe ; Romane, Caroline et Emilie.

Discussions

Cependant, les tests de compression permettent une identification plus facile de la résistance maximale à la traction car le comportement du bois est plus fragile en traction qu’en compression.

dégrossissons le sujet et formulons de nouvelles pistes de recherche. C’est pourquoi vous trouverez en annexe à la fin de ce document, trois sujets possibles détaillés pour les futurs étudiants de l’option. Enfin et surtout, ce sujet nous donne un bon aperçu des moyens possibles de combiner les compétences architecturales et d’ingénieries dans nos activités futures.

5.3. Remarques générales Dans ce protocole, nous utilisons uniquement des méthodes locales pour déterminer les propriétés du bois. Pour corréler nos résultats avec l’ensemble de la structure, nous utilisons des facteurs d’échelle. On peut alors se demander combien de zones locales étudiées sont nécessaires pour caractériser l’ensemble de la structure.

Pour avoir une valeur précise du module d’élasticité, il est également intéressant d’étudier le nombre de carottes nécessaires dans chaque zone.

Par ailleurs, il serait aussi intéressant de combiner des méthodes locales et globales telles que les tests aux ultrasons pour mieux analyser le cadre.

En outre, ces méthodes permettraient également de discuter des défauts de la structure, sujet mis de côté dans notre protocole final.

Pour conclure, ce sujet a été un très bon «terrain d’essai» qui nous permet d’enquêter dans de nombreux domaines d’étude et de rencontrer de nombreux chercheurs. Enfin, nous ne proposons pas de solution clé en main pour Sherlock Patrimoine mais nous

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Sect. III

le module d’élasticité en utilisant des tests de traction dans une structure en bois.

IV

Annexes

[1]

[2]

[3]

[4]

Sect. IV

references En/FR De La Cruz Sanchez, Carmen Mariella, Mesures des constantes élastiques du bois d’épinette noir dans des conditions d’équilibre du séchage à basse température (sciences forestière et du bois), sous la direction de Roger Hernández et Yves Fortin, Laval, Québec, l’université de Laval, 2006. Chap. 1. pp. 21-22.

Dinh, Anh Tuan, Comportement élastique linéaire et non-linéaire du bois en relation avec sa structure (sciences forestière et du bois), sous la direction de Patrick Perre, Paris, France, AgroParisTech, 2001.

Dominique, Jacques and Marchal ,Michèle, « évaluation de deux méthodes acoustiques de détermination du module d’élasticité de bois de mélèze hybride jeune - comparaison avec une méthode normalisée en flexion statique », Annals of forest science, Vol.56, n°4, 1999, pp. 333-343.

ding materials, Vol. 101, Part.

2, p.1219.

[5]

l’EPFL - Laboratoire de matériaux de construction

[6]

Heller-Kellenberger, Iris ; Kienast, Felix ; Schmatz, Dirk ; Schoch, Werner and Schweingruber, Fritz, wood anatomy, 2007, [http://www.woodanatomy.ch/], cons.2019

[7]

Gagliardini, O, Construction bois selon l’Eurocode 5 (génie-civil), Grenoble, France, Université Grenoble Alpes, 20182019, Chap. 2. pp. 22-46.

[8]

TROPIX 7 CIRAD, Sapin, 19982011 [https://tropix.cirad.fr/ ], 2019.

[9]

Yang, Na and Zhang, Lei, « Investigation of elastic constants and ultimate strengths of Korean Pine from compression and tension tests. », J Wood Sci, Vol. 64, 2018, pp. 85–96.

Drdacky, Milos ; Kloiber ,Michel ; Machado, Jose S ; Piazza, Maurizi ; Yamaguchi, Nobuyoshi, « Prediction of mechanical properties by means of semi-destrctives methods : a review », Construction and buil-

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EN/ The general idea is to suggest more definite study topics, focused on a analysis method or a particular study area. Here are 3 proposals. The first one comes to supplement and continue our research and results, and the two others come to study subjects approached but not exploited in this report, and constitute a solid support for the reflection already started.

Topic n°1: Focus on the tensile tests of wood extracted from lumber in order to characterize the two main modulus of elasticity, on the transverse plane and on the longitudinal radial plane.

This subject would be an opportunity to explore sample extraction methods and sampling methods in order to be able to correlate results from identical volume, and this, in different fiber directions. A study on the data dispersion, the establishment of an adequate sample number and a RVE (Representative Volume Elements) suitable could be made within this study.

Topic n°2 : Experiment with bending tests in order to obtain the modulus in tension and in compression and compare the two behaviors.

The most relevant would be to focus on the study of the behavior in the fiber direction, given the wooden elements arrangement in a frame. As well as the

topic n°1, the study would able the development of a sampling protocol for bending tests.

Topic n°3 : Study the wood defects and their harmfulness on the lumber structure. The main idea would be to analyze their impact on the mechanical state of the wood.

There are two kind of defects : those related to the wood nature, which are mainly knots and those related to time, the mold due to humidity, fungal attacks or even cracks due to mechanical loading ... This study would help to understand how these defects influence the wood structure using optical microscopy techniques and measuring wood density. In addition, it could help establish criteria for critical situations for each type of defect. (when is the wood structure at risk?)

Prochains sujets de projet, quelques propositions FR/ L'idée générale serait cette fois-ci de proposer des sujets d’étude plus précis, se concentrant sur une méthode d'analyse ou sur un domaine d'étude particulier. Voici donc 3 propositions qui, pour la première vient compléter et continuer nos recherches et résultats, et qui, pour les deux suivantes viennent étudier des sujets, abordés mais non exploités dans ce

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Sect. IV

NEXT PROJECT TOPICS, some suggestions

Sujet n°1 : Se focaliser sur les essais de traction sur bois extrait d'une charpente en œuvre, afin de caractériser les deux modules d'élasticité principaux, sur le plan transverse et sur le plan longitudinal radial.

Ce sujet serait l'occasion d'explorer les méthodes d'extraction d'échantillon et les méthodes d'échantillonnage afin de pouvoir corréler des résultats à partir de volume identique, et cela, dans différents sens de la fibre. Une étude sur la dispersion des données, l'établissement d'un nombre d’échantillons nécessaire et d'un VER (Volume élémentaire Représentatif) adéquat pourrait être faits dans ce cadre.

Ces défauts sont de deux types : ceux liés à la nature du bois, il s'agit des nœuds principalement et ceux liés au temps, la moisissure dûe à l'humidité et aux attaques fongiques ou encore les fissures dûes au chargement mécanique… L'étude permettrait de comprendre comment ces défauts influent la structure du bois en utilisant des techniques de microscopie optique et en mesurant leur densité. De plus, elle pourrait aider à établir des critères de situations critiques pour chaque type de défauts. (à partir de quelle moment la structure du bois est en péril ?)

Sujet n°2 : Expérimenter les essais de flexion afin d’obtenir les modules en traction et en compression et comparer les deux comportements.

Le plus pertinent serait de se focaliser sur l’étude du comportement dans le sens de la fibre, étant donné la disposition des éléments en bois dans une charpente. Comme pour la traction, l'étude permettrait d'élaborer un protocole d'échantillonnage pour les essais de flexion.

Sujet n°3 : Étudier les défauts du bois et leur nocivité sur les structures de bois en œuvre. L’idée majeure serait d’analyser leur impact sur l’état mécanique du bois.

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Sect. IV

rapport, et constituent un appui solide à la réflexion déjà entamée.

2019.2020 Ecole Centrale Nantes & Sherlock Patrimoine Romane Lavoine, Emilie Thabard & Caroline Wypychowski

How to characterize mechanical properties of timber while minimizing the impact on the structure ?

A research focused on the development of a protocol suitable for a company such as Sherlock Patrimoine, delivered during the MATEPRO cursus (2019.2020) in the engineer school Ecole Centrale Nantes.

Tutored by Erwan Verron, from Ecole Centrale Nantes and Charlotte Trigance, from Sherlock patrimoine. Lead by Romane Lavoine, Emilie Thabard and Caroline Wypychowski

Comment caractériser les propriétés mécaniques du bois en oeuvre tout en minimisant l’impact sur la structure ?

Une recherche sur le développement d’un protocole utile à une structure telle que Sherlock Patrimoine, menée dans le cadre de l’option MATEPRO (2019.2020) de l’école d’ingénierie Ecole Centrale Nantes. Tuteurée par Erwan Verron, de l’Ecole Centrale de Nantes et Charlotte Trigance de Sherlock Patrimoine.

Conduite par Romane Lavoine, Emilie Thabard et Caroline Wypychowski