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Effet de la teneur en humidité d’équilibre et de la température du bois sur la résistance à la traction du bois d’épinette noire
Revue de littérature
Le Québec a une superficie de 1 667 926 km2. La ressource forestière recouvre près de la moitié du territoire québécois, soit 764 897 km2. La forêt boréale, composée de conifères, représente 73,7% de ce territoire. Elle renferme presque exclusivement les espèces de sapin baumier, d’épinette noire, d’épinette blanche, du pin gris et du mélèze laricin (Parent 2002). L’épinette noire est très répandue au Québec et au Canada, et s’étend sur la partie nord du continent nord-américain. L’arbre présente un diamètre se situant généralement entre 10 et 23 cm et il peut atteindre 12 à 20 m de hauteur (Viereck et Johnston 2002).
La principale utilisation commerciale de l’épinette noire au Canada et aux États-Unis est orientée vers la fabrication de pâte à papier et de bois de colombages. Cependant, ce bois se prête particulièrement bien à la fabrication de semelles de poutrelles en I. La fabrication de semelles jointées à partir de bois résineux s’inscrit parfaitement dans les tendances mondiales actuelles où l’on observe une forte croissance de la demande pour les produits du bois de haute qualité. La production du bois d’épinette noire jointé est une façon de s’adapter aux nouvelles réalités et de saisir les occasions d’affaires reliées à la transformation de produits à valeur ajoutée. Le fait de favoriser une meilleure utilisation de la ressource forestière, l’amélioration des procédés de transformation, la fabrication de produits à valeur ajoutée du bois, la capacité de développer des produits de très bonne qualité à partir de sciages des résineux, sont autant d’aspects utiles pour le développement économique des régions forestières.
La conception du bois d’ingénierie
La conception du bois d’ingénierie vise à développer des produits à partir de bois collés tels que les poutres en bois lamellé-collé, les fermes de toit, les poutrelles en I, les poutres de placage laminées (Laminated Veneer Lumber, LVL), les poutres de lamelles parallèles (Parallam TM), les poutres de lamelles orientées (Timberstrand TM), les poutres ajourées et le bois abouté (Lamy 1995). Le bois d’ingénierie a été conçu pour remplacer le bois massif traditionnellement utilisé dans l’industrie de la construction. Celui-ci vise à offrir des performances supérieures au bois naturel, dans le sens où il est en mesure de rencontrer des exigences plus élevées en terme de résistance mécanique et de rigidité et en terme également de portées (Lamy 1995). Ce produit utilise du bois de petites sections pour une meilleure résistance mécanique finale bien que sa fabrication nécessite plus d’ingénierie, de conception, de connaissances et de maîtrise technique. Le marché du bois d’ingénierie a connu une croissance très rapide au cours des dix dernières années et il continue de se développer.
Par exemple, le rythme de croissance aux Etats-Unis d’Amérique est d’environ de 250 millions de pieds mesure de planche (pmp) par année et la tendance devrait se poursuivre (Forintek 2001). De tous les produits d’ingénierie destinés à la construction de planchers, les poutrelles en I ont connu le plus grand succès. Les principaux avantages de ce produit sont sa légèreté et sa facilité de mise en oeuvre (Forintek 2001). Par ailleurs, au Canada la construction en bois prédomine largement. Au Québec, les entreprises dédiées à la fabrication de composantes de produits en bois d’ingénierie de structure travaillent principalement avec l’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.), qui possède une masse volumique et résistance mécanique adéquates. L’utilisation du bois abouté dans les composantes structurales est très importante car celles-ci doivent résister à des sollicitations mécaniques élevées.
Le bois abouté a déjà été utilisé avec succès dans les assemblages à angle pour les composantes de meubles (Richards 1962), dans la fabrication des systèmes de fermes de toit (Hoyle et al. 1973) et aussi dans la fabrication des poutres lamellées-collées (Wibbens 1989). Au Québec, il y a une douzaine d’entreprises oeuvrant dans le secteur du bois abouté et du lamellé-collé qui utilisent les espèces de sapin, épinette et pin. Les entreprises de ce secteur consomment annuellement près de 421 millions de pmp de bois (Belley 2002). Au Québec, le bois abouté à utilisation structurale est vendu le plus souvent comme composante des produits du bois d’ingénierie tels que la poutrelle en I. Cette dernière est formée de semelles en bois abouté en haut et en bas avec une âme en panneau de lamelles orientées (OSB) ou en contreplaqué. La performance mécanique est ainsi un élément important exigé. Il est alors nécessaire de surveiller tous les facteurs susceptibles d’affecter la performance mécanique du bois abouté.
Géométrie de joints
La Figure 1.1 montre le profil des entures et leurs caractéristiques géométriques. Quatre variables sont importantes dans la géométrie des joints du bois abouté: la pente, le pas, la longueur et la largeur des extrémités des entures. Si l’on fixe trois des variables, la quatrième s’établit automatiquement et celle-ci détermine le dessin des joints.
En conséquence, l’effet que possède une variable sur la résistance mécanique de l’union n’est pas indépendant des trois autres. L’effet de la géométrie des joints a été étudié par divers auteurs (Richards et Goodrick 1959, Selbo 1963, Richards 1963, Selbo 1975a, Ayarkwa et al. 2000a ). Richards et Goodrick (1959) ont évalué l’effet de la pente sur la résistance mécanique à la traction du bois de pin du sud. Quatre rapports de pente ont été utilisés pour l’étude, à savoir, 1:6, 1:9, 1:12, et 1:15. La pente de 1:15 a atteint une moyenne de 82% de la résistance mécanique à la traction du bois massif, alors que la pente de 1:6 n’a atteint que 54% de cette résistance. La pente faible assure un bon collage de bois dans le sens du fil, ce qui augmente la résistance mécanique. Par contre, la pente faible diminue le pas, ce qui augmente le nombre des extrémités des entures (β) lesquelles provoquent de mauvais collages (Centre technique du bois 1973). Le comportement au collage de deux résineux (épinette de sitka et sapin douglas) et d’un feuillu plus dense (chêne blanc) a été étudié par Selbo (1963).
Types de configurations de joints
Le dessin des joints est de première importance car il affecte directement la résistance mécanique des joints structuraux. En général, la résistance mécanique diminue à mesure que la pente augmente. Selbo (1975) a exprimé la résistance mécanique à la traction longitudinale de divers types de joints par rapport à celle du bois massif (Figure 1.3). Les joints à entures multiples (fig. 1.3 B,C,D) présentent une bonne résistance à la traction longitudinale par rapport à celle du bois collé bout à bout (fig. 1.3 A). Le joint à biseau plat (fig. 1.3 E) est l’ancêtre des joints à entures multiples. La performance des joints à biseau plat a été étudiée par Jessome (1958), Stieda (1958), Richards et Goodrick (1959) et Selbo (1975a). Ce type de joint est le plus performant parmi tous les types de joints. Le joint à biseau plat n’a cependant pas connu beaucoup d’expansion puisqu’il engendre une grande perte de longueur et qu’il permet difficilement d’obtenir une bonne exactitude et une bonne précision dans l’alignement des blocs (Jokerst 1981).
Orientation des entures Janowiak et al. (1993) ont évalué des joints à entures orientées horizontalement (joint dont le profil des entures apparait sur la face étroite de la pièce), et verticalement (joint dont le profil des entures apparait sur la face large de la pièce). Des essais mécaniques de flexion et de traction des deux types de joints ont été réalisés sur des petits échantillons de feuillus (chêne rouge, érable rouge et tulipier) collés avec deux types d’adhésif (mélamine-formaldéhyde et résorcinol-formaldéhyde). Les comparaisons ont montré que les différences mécaniques attribuables, soit à l’orientation des entures ou soit au type d’adhésif ont été faibles. Les joints à entures verticales semblent cependant offrir une résistance supérieure autant en flexion qu’en traction. Cependant, le travail n’indique pas la manière dont les essais de flexion ont été conduits, soit sur rive ou sur plat.
Par ailleurs, Tan (1993) a remarqué qu’en compression, le joint vertical est d’environ 29% plus fort que le joint horizontal chez le meranti tembaga. Jokerst (1981) mentionne également dans ce contexte que les joints à orientation verticale ont une meilleure performance en flexion que les joints horizontaux. Les contraintes se distribuent à travers toutes les entures pour le joint vertical, tandis que pour le joint horizontal, les entures extérieures supportent la plupart de la charge ce qui affecte son intégrité (Jokerst 1981).
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Table des matières
Résumé court
Résumé long
Abstract
Remerciements
Avant-Propo
Introduction
Chapitre I Revue de littérature
1.1 Généralités
1.2 La conception du bois d’ingénierie
1.3 Définition d’aboutage
1.4 Facteurs qui affectent la qualité d’aboutage
1.4.1 Géométrie de joints
1.4.2 Types de configurations de joints
1.4.3 Orientation des entures
1.4.4 Conditions du bois
1.4.5 Le collage
1.5 L’usinage du bois abouté
1.6 Évaluation microscopique des surfaces du bois obtenues par divers procédés d’usinage
1.7 Techniques utilisées pour l’évaluation de la performance du bois abouté
1.8 Caractéristiques mécaniques d’une poutrelle en I et normes exigées lors du jointage
1.9 Exigences de performance lors des essais mécaniques sur bois massif et sur bois abouté d’épinette noire
Chapitre II Effet de la teneur en humidité d’équilibre et de la température du bois sur la résistance à la traction du bois d’épinette noire abouté par entures multiples
2.1 Résumé
2.2 Abstract
2.3 Revue de littérature
2.4 Matériel et méthodes
2.5 Résultats et discussion
2.6 Conclusions
2.7 Références citées
Chapitre III Structural performance of finger-joined black spruce lumber with different joint configurations
3.1 Résumé
3.2 Abstract
3.3 Materials and methods
3.4 Results and discussion
3.5 Conclusion
3.6 Literature cited
Chapitre IV Effects of curing time and end-pressure on the tensile strength of finger-joined black spruce lumber
4.1 Résumé
4.2 Abstract
4.3 Material and methods
4.4 Results and discussion
4.5 Conclusion
4.6 Literature cited
Chapitre V Influence of machining parameters on the structural performance of finger-joined black spruce
5.1 Résumé
5.2 Abstract
5.3 Introduction and background
5.4 Materials and methods
5.5 Results and discussion
5.5.1 Effects of wood machining parameters
5.5.2 SEM analysis of transverse glueline faces
5.6 Conclusion
5.7 Literature cited
CONCLUSION GÉNÉRALE
Bibliographie
ANNEXE A Résumé du sondage réalisé aux entreprises d’aboutage du bois
ANNEXE B Effet de la pression sur la surface collée des joints. Une analyse microscopique
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