Relations structures propriétés à l’origine des comportements différés des bois : - de la compréhension des mécanismes à la détermination d’indicateurs prédictifs.

Structure properties relationships that lead to delayed wood behaviour : from understanding mechanisms to determining predictive indicators

• Auteur / Autrice : Tai-Yun Hsieh
• Direction : Sandrine Bardet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Civil et Architecture
• Date : Soutenance le 06/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et de génie civil (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Bardet, Joseph Gril, Robert Le Roy, Bernard Thibaut, Stéphane Corn, Marianne Perrin, Frédéric Dubois, Cédric Montero
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joseph Gril, Robert Le Roy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Construction durable

Rhéologie

Modélisation des données du bâtiment

Constructions en bois

Mots clés libres

Bois

Comportement différé

Modélisation

Rhéologie

Expérimental

Longévité

Experimental studies

Delayed behaviour

Longevity

Rheology

Modelisation

Wood

Résumé

Le bois est utilisé comme matériau de construction depuis des temps très anciens. Tous les matériaux structurels doivent faire face aux défis du temps et du climat. Le comportement de fluage est un phénomène mécanique où la déformation augmente avec le temps, à niveau de chargement constant.L'étude présentée dans ce manuscrit a commencé par un aperçu du matériau bois et la construction d'une base de données sur le fluage du bois qui présente une synthèse des méthodes et des résultats des essais de fluage de la littérature.Dans les travaux réalisés pendant cette thèse, 4 essences ont été testées : le douglas, le peuplier, le hêtre européen et le chêne européen. Nous avons choisi l'essai de flexion 4 points pour les mesures en fluage et l'essai de vibration pour caractériser les propriétés mécaniques, ainsi que les mesures physiques de densité et de dimensions. Les échantillons sont de petite taille (150 mm dans le sens des fibres), pour éviter les défauts du bois. Une série de 10 jours d'essais de fluage en flexion 4 points a été réalisée sur la base des essais de vibration et d'un échantillonnage réalisé préalablement. Le dispositif d'essai de vibration a été conçu au LMGC depuis plusieurs années sur la base d'un système développé dans les laboratoires du bois japonais. Le test de vibration permet de mesurer le module spécifique, qui est fortement corrélé à l'angle des microfibrilles et le coefficient d'amortissement, pour avoir une compréhension générale des caractéristiques mécaniques des échantillons. La masse volumique, le module spécifique, le coefficient d'amortissement, le coefficient de gonflement en volume et l'angle de grain des échantillons ont été mesurés et considérés dans l'échantillonnage.La stratégie d'échantillonnage a été conçue pour choisir une propriété spécifique comme variable et contrôler la variance d'autres propriétés, pour que le résultat du test puisse se concentrer sur l'effet d'une propriété donnée. Ainsi, l'influence de chaque propriété est testée séparément des autres afin de déterminer les indicateurs prédictifs du fluage. Les échantillons ont été stabilisés à une température de 20 °C et à une humidité relative de 85% avant d'être soumis à l'essai de fluage en flexion 4 points. Une charge de 650 g (10,52 MPa) a été appliquée en flexion 4 points pendant 10 jours. Cent-huit échantillons ont été testés et analysés dans la modélisation.Le modèle de comportement de fluage représenté par une fonction exponentielle du temps. La complaisance différée peut être représentée par une série d'éléments de Kelvin, et les paramètres des éléments (ressorts et amortisseurs) sont calculés numériquement par comparaison avec les données expérimentales. Cette étude se concentre sur la relation entre les paramètres d'ajustement du modèle et les caractéristiques des échantillons mesurées expérimentalement. Trois modèles sont présentés pour estimer les paramètres d'ajustement de la fonction de fluage. La modélisation suggère que le comportement en fluage du bois se produit dans la paroi cellulaire plutôt que par glissement au niveau de la zone intercellulaire. Les résultats de la modélisation permettent de simuler les évolutions des mécanismes dans le temps. L'effet de la densité diminue avec le temps de chargement, et l'effet du module spécifique augmente. Cela signifie que la déformation est transférée de la paroi cellulaire à d'autres structures du bois, et que l'effet de l'angle des microfibrilles augmente pendant le processus de chargement.Cette étude souligne l'importance de la microstructure sur le comportement rhéologique. La microstructure du bois est influencée par l'âge de l'arbre, l'environnement et les conditions de croissance, ainsi que par les extractibles du bois. Les résultats de cette étude fournissent des propriétés matérielles à considérer dans l'évaluation du classement mécanique des matériaux de construction.

Wood has been used as a structural material since ancient times, so we have always had to face the challenges of time and climate on wood and wood-based materials. In those situations, it expresses the creep behavior, a mechanical phenomenon in which the deformation increases with time at a constant level of load.This study started from the overview of wood material and the construction of a database collecting wood creep measurements, representing the diversity of creep test methods and results from the literature. In the present study, experiments were focused on four species representative of the French resource : Douglas fir, Poplar, European Beech and European Oak. We chose a dedicated 4-point bending test for creep measurements associated with vibration procedure for pre-characterization of mechanical properties, as well as the physical measurements of density and dimensions. The clear wood samples were small (150 mm in the direction of the fibers) to avoid wood defects.The vibration testing device has been designed at LMGC based on a system developed in Japanese wood laboratories. It allows us to measure the specific modulus, which is strongly correlated to the microfibril angle and the damping coefficient, in order to have a preliminary understanding of the mechanical characteristics of the samples. The density, specific modulus, damping coefficient, volume swelling coefficient, and grain angle of the specimens were measured and considered into an optimized sampling. The sampling method was developed to choose a specific property as a variable and control the variance of the other properties, so that the test results can focus on the effect of a given property. Thus, the influence of each property is tested separately from the others to determine the predictive indicators of creep.Several series of creep tests were conducted to study the effect of each predictive indicators. All the experiments were conducted in controlled environment at temperature 20 °C and relative humidity 85% after a stabilization phase of the specimens, then the 4-point bending creep tests were conducted. A load of 650 g (10.52 MPa) was set on the specimens for a nominal duration of 10 days. There were 108 samples tested and considered in the modeling.Creep behavior model can be expressed by an exponential function of time. Delayed compliance can be represented by a series of Kelvin elements, and the parameters of the elements (springs and dashpots) are calculated numerically by fitting with the experimental data. Different from the traditional model, this study focuses on the relationship between the fitting parameters and the specimens characteristics. Three models are presented to estimate the fitting parameters of the creep function. The modeling suggests that the creep behavior of wood occurs in the cell wall rather than by sliding at the inter-cell zone, and the mechanism changes with time are shown in the modeling result. The effect of density decreases with the loading time, and the effect of specific modulus increases. It means that the deformation is transferred from the cell wall to other structure of wood, and the influence of microfibril angle increases during the loading process.This study highlights the importance of microstructure on rheological behavior. Wood microstructure is influenced by age, growing environment and conditions, as well as wood extractive. The results of this study provide material properties to be considered in the mechanical grading assessment of construction materials.