Au-delà du « bois sans défaut » : analyse ethno-mécanique et biomécanique des relations structure-comportement-usage de bois à forts gradients de propriétés sélectionnés dans l'artisanat

par Hsien-tsung Hu

Projet de thèse en Mécanique et Génie Civil

Sous la direction de Iris Bremaud et de Patrick Langbour.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec LMGC - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (laboratoire) et de Bois (equipe de recherche) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Résumé Général: Nos recherches s'attachent à relier savoirs scientifiques et savoirs artisanaux sur les bois, en s'appuyant sur ces dernier pour combler des lacunes de connaissances scientifiques sur des bois peu étudiés, ce qui est notamment le cas des essences forestières « secondaires » et/ou méditerranéennes et tropicales. Plus spécifiquement, ce sujet de thèse aborde la perméabilité entre notions de « défaut » et de « qualité » : les sciences pour l'ingénieur considèrent habituellement comme « défauts » des hétérogénéités du bois, résultant en des gradients de propriétés, qui pourtant sont naturellement formées par les arbres, et sont souvent recherchées comme qualités par des artisans de différents métiers du bois. Le projet partira d'enquêtes auprès d'artisans (voire de forestiers) quant aux bois présentant de forts gradients de propriétés. Le travail de thèse commencera en établissant une typologie des types de bois concernés et comment ils sont perçus pour différents usages. Les différents types de singularités seront explorés en regard de la diversité et variabilité botanique. Puis, selon les échelles d'observations pertinentes, on étudiera les relations structure-propriétés mécaniques du bois, et leurs répercussions en conditions d'usage. Les résultats devraient ouvrir la voie à la fois à une meilleure prise en compte fondamentale de cas « non-standards » mais fréquents dans le matériau-bois, et à une meilleure définition de ce qui pourrait être considéré comme « bois précieux » parmi des singularités autrement sous-estimées ou déconsidérées du fait de leur caractère atypique. Contexte et problématique : Le bois, matériau d'usage ancestral par l'homme et matériau écologique du futur, pose encore de nombreuses questions quant à son comportement complexe et à sa diversité. L'étude physique et mécanique du bois reste un champ disciplinaire relativement jeune (≤ 150 ans), en regard des milliers d'années d'expérience empirique de ce matériau dont ont hérité les artisans qui le travaillent. Nous postulons que l'analyse de ces savoirs traditionnels (patrimoine culturel immatériel) peut aider à avancer dans la connaissance scientifique du comportement du bois. Cette hypothèse de travail s'avère particulièrement nécessaire lorsqu'on considère que la grande majorité des recherches scientifiques ont été jusqu'ici ciblées sur un nombre restreint d'essences de bois « commerciaux » ou de grande diffusion. Tandis que toute la diversité d'espèces forestières dites « secondaires » n'a bénéficié que de très peu d'études scientifiques, alors même qu'elles sont souvent d'une grande importance dans des pratiques artisanales de haut niveau. Ce paradoxe entre importance culturelle (et environnementale) des usages, et manque de données scientifiques, est particulièrement flagrant pour les essences méditerranéennes ou tropicales. Pour répondre à cette problématique, notre équipe BOIS du LMGC à Montpellier développe depuis 2013 (avec le recrutement d'I. Brémaud comme CR CNRS) un nouvel axe de recherches transdisciplinaires visant à relier savoirs scientifiques et savoirs artisanaux, ou « savoirs de la main », sur le bois, sa diversité/variabilité et son comportement physique et mécanique. La démarche générale « ethno-bio-mécanique » que nous avons développée met en relation des enquêtes sociotechniques auprès d'artisans (et/ou forestiers) experts, leur traduction en termes mécaniques et l'analyse des phénomènes physiques impliqués dans les pratiques recensées, l'exploration des origines botaniques de la diversité et variabilité des bois, puis finalement l'analyse de la perception sensorielle du bois par ses utilisateurs experts. Les travaux réalisés ces dernières années ont été principalement ciblés sur la lutherie, qui utilise des bois très homogènes. Ils ont d'ores et déjà permis de valider cette démarche transdisciplinaire, son utilité sociétale et son potentiel scientifique. Il s'agit dorénavant de l'appliquer à des cas de figures plus diversifiés, en termes de types de bois comme en termes de métiers artisanaux. Objectif du projet de thèse : Le sujet de thèse proposé s'attache à un apparent paradoxe entre différentes approches du bois : du point de vue des sciences de l'ingénierie (comme des utilisations industrielles), un « bon » bois est bien orienté et homogène, les singularités étant considérées comme des « défauts ». Dans l'arbre sur pied, en tant qu'organisme vivant, c'est au contraire l'homogénéité qui peut être considérée comme une singularité. Et du point de vue des usages artisanaux, l'hétérogénéité et/ou les singularités peuvent être considérées comme des « défauts » ou au contraire comme des « qualités » selon les usages considérés. Philosophiquement, ce sujet concerne donc la perméabilité entre concepts de « défaut » et de « qualité ». Mais de façon plus pragmatique, il concerne aussi l'adéquation usage-fonction, et devrait ouvrir la voie à un meilleur repérage de bois « précieux (par ex. figurés) et à une meilleure valorisation de bois habituellement sous-estimés. La question scientifique posée, radicalement différente des travaux en cours sur des « bois sans défaut », est rarement abordée en mécanique du bois : Comment expliciter le comportement mécanique de bois à forts gradients de propriétés ? Sachant que de tels bois sont recherchés et délibérément sélectionnés dans plusieurs domaines d'artisanat. Le sujet proposé a également pour ambition de généraliser notre démarche « ethno-bio-mécanique » (déjà validée dans le domaine de la lutherie) aux divers métiers artisanaux du bois (charpente, tournage, ébénisterie, sculpture…). Réalisation et méthodologie : Le projet scientifique s'articule selon les 5 taches ci-dessous, avec un « noyau dur » du sujet de thèse correspondant aux taches b), c), d) : a) Enquêtes auprès d'artisans et éventuellement auprès de forestiers/scieurs pour identifier les usages de bois à forts gradients de propriétés et les compromis de sélection entre critères mécaniques, esthétiques et contraintes de la ressource. b) Etablissement d'une typologie des types de bois concernés (bois figurés, déviations de fil, pièces naturellement cintrées et/ou comprenant différents secteurs et/ou types de bois…) selon différents usages. c) Exploration de la diversité (inter-spécifique) et variabilité (intra-spécifique) botanique pour contribuer à la question du déterminisme de certaines singularités et de leurs caractéristiques mécaniques. d) Réduction du problème selon une typologie des échelles d'observation pertinentes pour l'analyse des relations structure-propriétés (échelle sub-pariétale, orientation cellulaire, plan ligneux, gradients atypiques sur le rayon et/ou la section d'un arbre, …). Puis, caractérisation expérimentale (et modélisation si possible) des répercussions structurelles de l'usage de ces bois à forts gradients de propriétés, suivant une sélection restreinte de modalités représentatives de la typologie établie. e) Etude de la perception sensorielle visio-tactile par des artisans, notamment pour des bois « figurés » (fil ondé, pommelé, moucheté, rubané/contrefilé, etc.) La répartition de la quantité de travail entre ces 5 taches pourra être modulée en fonction du profil du.de la candidat.e retenu.e. Les taches a) et e) seront réalisées en grande partie avec ou par l'encadrante pour assurer l'insertion du sujet dans l'ensemble des recherches en cours. La thèse sera dirigée par I. Brémaud (CR CNRS, HDR soutenue en 2016), avec un co-encadrement possible d'autres membres de notre équipe et/ou de l'équipe BioWooEB du CIRAD. Pour le contexte du projet, des liens avec des spécialistes de foresterie, d'anthropologie (et/ou archéologie) des techniques, d'ethnobotanique et de perception des matériaux sont envisagés.

  • Titre traduit

    Beyond 'clear wood': ethno-mechanical and biomechanical analysis of wood with strong gradients of structure-properties and their craftsmanship's selection


  • Résumé

    General summary: Our research aims at linking scientific and craftsmanship knowledge on wood, relying on the latter to fill gaps in scientific knowledge on little studied wood, which is particularly the case of 'secondary' forest species and/or Mediterranean and tropical species. More specifically, this thesis topic addresses the permeability between the notions of 'defect' and 'quality': engineering sciences usually consider as 'defects' the heterogeneities or singularities of wood, resulting in property gradients, which however are naturally formed by trees, and are often sought after as qualities by craftsmen of different wood trades. The project will be rooted in information obtained through surveys with craftsmen (or even foresters) regarding the choice of wood with strong property gradients. The thesis work will begin by establishing a typology of the types of wood concerned (figured wood, grain deviations, co-existence of different wood types in a piece, …) and how they are perceived for different uses. The different types of singularities will be explored with regard to botanical diversity and variability. Then, according to the relevant scales of observations, we will study the structure-mechanical properties of wood, and their repercussions under conditions of use. The results should open the way both to a better fundamental consideration of 'non-standard' cases that are however frequent in the wood material, and to a better definition of what could be considered as 'precious wood' among singularities otherwise underestimated or discredited because of their atypical character. Context and problematic: Wood, a material of ancestral use by mankind, and an environment-friendly material for the future, still raises many questions about its complex behaviour and its diversity. The physical and mechanical study of wood remains a relatively young disciplinary field (≤ 150 years), compared to the thousands of years of empirical experience of this material inherited by the craftsmen who work with it. We postulate that the analysis of this traditional knowledge (intangible cultural heritage) can help to advance scientific knowledge of the behaviour of wood. This working hypothesis is particularly necessary when one considers that the vast majority of scientific research has so far been targeted on a limited number of 'commercial' or widely distributed wood species. While all the diversity of so-called 'secondary' forest species has benefited from very little scientific study, even though they are often of great importance in high-level craft practices. This paradox between the cultural (and environmental) importance of uses, and the lack of scientific data, is particularly obvious for mediterranean or tropical species. To address this issue, our WOOD team at the LMGC in Montpellier has been developing since 2013 (with the recruitment of I. Brémaud as CNRS researcher) a new topic of transdisciplinary research aimed at linking scientific and craftsmanship knowledge (or 'hand knowledge') on wood, its diversity/variability and its physical and mechanical behaviour. The general 'ethno-bio-mechanical' approach that we have developed relates socio-technical surveys among expert craftsmen (and/or foresters), their translation into mechanical terms and the analysis of the physical phenomena involved in the practices identified, the exploration of the botanical origins of wood diversity and variability, and finally the analysis of the sensory perception of wood by its expert users. The work carried out in recent years has mainly focused on lutherie, which uses very homogeneous woods. These recent works have already validated this transdisciplinary approach, its societal utility and its scientific potential. It is now a question of applying it to more diversified cases, in terms of types of wood as in terms of craft trades. Objective of the thesis project: The proposed thesis topic focuses on an apparent paradox between different approaches of wood: from the point of view of engineering sciences (as well as that of industrial uses), a 'good' wood is well oriented and homogeneous, singularities being here considered as 'defects'. In the standing tree, as a living organism, it is in turn homogeneity that can be considered as a singularity. And from the point of view of artisanal uses, heterogeneity and/or singularities can be considered as 'defects' or on the contrary as 'qualities' according to the considered usages. Philosophically, this subject therefore concerns the permeability between the concepts of 'defect' and 'quality'. But in a more pragmatic way, it also concerns usage-function adequacy, and should open the way to a better identification of 'precious' wood (e.g. figured) and to a better valorization of wood usually underestimated. The scientific question posed in this project, radically different from the work usually conducted on 'clear wood', is seldom addressed in wood mechanics: How to explain the mechanical behaviour of wood with high gradient properties? Knowing that such wood is sought after and deliberately selected in several fields of crafts. The proposed subject also aims to generalize our 'ethno-bio-mechanical' approach (already validated in the field of lutherie) to the various crafts of wood (carpentry, turning, cabinet making, sculpture...). Realisation and methodology : The scientific project is structured according to the 5 tasks below, with the main core of the thesis subject corresponding to tasks b), c), d) : a) Surveys with craftsmen and possibly with foresters/sawyers, to identify the uses of wood with high gradient of properties, and the selection trade-offs between mechanics, aesthetics and resource's constraints. b) Establishment of a typology of the types of wood concerned (figured wood, grain deviations, naturally bent parts and/or pieces including different sectors and/or types of wood...) according to different uses. c) Exploration of botanical diversity (interspecific) and variability (intraspecific) to contribute to the question of the determinism of certain singularities and their mechanical characteristics. d) Reduction of the problem according to a typology of observation scales relevant for the analysis of structure-property relations (sub-parietal scale, cell orientation, anatomical organisation, atypical gradients on the radius and/or section of a tree, etc.). Then, experimental characterization (and possibly modelling) of the structural repercussions of the use of these woods with strong gradients of properties, based on a limited selection of modalities representative of the established typology. e) Study of the visio-tactile sensory perception by craftsmen, especially for 'figured' woods (wavy thread, pommelé, moucheté, rubané/contrefilé, etc.) The distribution of the amount of work between these 5 tasks can be modulated according to the profile of the selected candidate. Tasks a) and e) will largely be carried out with or by the supervisor to ensure that results of this PhD subject will be consistent with other ongoing research. The thesis will be directed by I. Brémaud (CR CNRS, Habilitation to Supervise Research awarded in 2016), with a possible co-advising of other members of our team and/or of the BioWooEB team of CIRAD. For the context of the project, links with specialists in forestry, anthropology (and/or archaeology) of techniques, ethnobotany and perception of materials are envisaged.