Méthodes et machines pour le classement mécanique

Méthodes et machines pour le classement mécanique

Type de noeuds Noeud adhérent 

La branche, incluse dans le tronc, croît périodiquement. Le cambium de la branche génère des cellules en continuité avec celles du tronc. Ce phénomène donne lieu à une meilleure cohésion entre le noeud et le bois formé autour (figure 1.7).   Noeud non adhérent: Dans ce cas, la branche est morte et son cambium disparait et ne produit ainsi plus de nouvelles cellules. La branche est englobée par l’accroissement du tronc et il n’y a plus de continuité entre les deux structures (figure 1.8) .

Les nœuds sont considérés comme des défauts dont l’influence sur les performances du sciage est plus ou moins importante. En effet, la taille, la forme et le type des noeuds sont des caractéristiques qui peuvent jouer sur la résistance du sciage. Afin de préciser l’impact du noeud en partant de différentes configurations. Nous faisons référence aux travaux de Guindos et Guaita (2013 et 2014) et à ceux de Grazide (2014) qui ont élaboré des modèles par éléments finis en les validant par des essais de flexion quatre points. Le bois utilisé dans l’étude de Guindos et al. est du pin sylvestre de section 150×50 mm2. Dans le cas de Grazide, l’étude a porté sur du pin maritime avec des sections plus importantes : 200×100 mm2. Les auteurs distinguent trois paramètres à prendre en compte : la taille, la position et la forme du noeud. La position et la taille du noeud jouent un rôle critique sur la résistance mécanique des sciages. Les auteurs distinguent la position du noeud suivant la hauteur de l’échantillon et arrivent à des conclusions assez proches. Le module à la rupture (MOR) peut varier jusqu’à 65 % en fonction de la position du noeud.

En effet, plus le nœud est proche du centre, plus la résistance du bois est meilleure en flexion. Cette remarque paraît tout à fait cohérente dans la mesure où la plus forte sollicitation en traction est atteinte sur la partie inférieure de la planche lors d’un essai flexion. Ils montrent également que l’augmentation du diamètre des nœuds abaisse la résistance à la rupture jusqu’à 72 % de la résistance du bois sans défaut. Guindos et Guaita (2013 et 2014) ont établi la répartition des contraintes en fonction de la hauteur d’un échantillon à travers un modèle par éléments finis (figure 1.9). Ils ont calculé les contraintes normalisées, exprimées en pourcentage, en divisant les contraintes normales par la résistance longitudinale moyenne en traction (ft,0,mean = 89 MPa). La contrainte normale perpendiculaire à la section droite (??) est proportionnelle à la résistance à la rupture mesurée expérimentalement et varie entre 23 et 47 %. La contrainte tangente à la section droite ?? augmente en fonction de la taille du noeud et quand on s’approche du bord. Elle varie entre 37 % et 98 %. La contrainte ?? est présente à hauteur de 35 % seulement dans le cas où le noeud est à côté du bord. La contrainte de cisaillement ??? agit inversement à ?? c’est-à-dire qu’elle a une valeur proche de la contrainte de rupture de Tsai-Hill lorsque le noeud est de faible diamètre et tendant vers le centre. Les deux contraintes de cisaillement ??? et ??? sont négligeables dans tous les cas de figure.

Aspects normatifs relatifs au bois de structure

Le bois de structure est le nom donné au bois utilisé dans la construction de bâtiments ou d’ouvrages d’art, c’est l’élément capable d’assurer la stabilité et de porter l’édifice. Les normes françaises et européennes exigent que toute structure bois soit contrôlée afin d’assurer pendant toute sa durée de vie la sécurité des personnes et d’accomplir efficacement ses fonctions. Ainsi, un ensemble de règles a été défini par le Comité Européen de Normalisation (CEN) sous le nom d’Eurocode 5. Ce dernier contient des formules et des méthodes de calcul similaires aux autres matériaux de construction comme l’acier ou le béton. On peut donc facilement établir un comparatif en fonction des besoins. A l’inverse d’autres matériaux de construction (béton, acier…etc), la variabilité naturelle du bois conduit à une méconnaissance à priori des propriétés mécaniques d’un sciage. Leurs déterminations sont cependant nécessaires pour une application en structure. Le comité normatif européen (CEN) a établi des classes de résistances qui constituent une référence pour les calculs de structures dans les Eurocodes.

La norme NF EN 338 (2016) définit, pour chaque classe, les valeurs moyennes des caractéristiques mécaniques et physiques (Tableau 1.3). L’avantage de ce classement est sa possibilité d’application à toutes les essences présentes en Europe. Une référence commune pour le marquage du bois est réalisée dans les pays de l’union Européenne (Marquage CE) facilitant ainsi les échanges commerciaux dans l’UE. Le tableau 1.3 précise, entre autres, les modules d’élasticité selon les directions axiale et transversale (pas de différence établie entre les directions radiale et tangentielle), les masses volumiques et les résistances caractéristique à 5% d’exclusion à la rupture (notées f) en fonction du type de sollicitation (traction, compression et flexion). Le nom d’une classe est symbolisé par la lettre D pour les feuillus (C pour les résineux, mais aussi le peuplier et le châtaigner) suivie par la contrainte caractéristique de rupture en flexion en MPa. Par exemple, un lot de classe D24 correspond à un lot de feuillus où statistiquement 5 % des sciages ont une résistance à la rupture en flexion inférieure ou égale à 24 MPa (NF EN 14358 2016). Il existe deux méthodes pour classer un sciage : soit par classement visuel (NF B 52 001 2013) ou bien par machine (NF EN 14081 2016). Pour valider ces deux méthodes, on fera référence à un troisième type de classement, appelé classement optimal, basé sur des essais destructifs.

Machines basées sur des cartographies

Le classement pour la résistance mécanique par la méthode visuelle consiste à classer les sciages en suivant la norme française NF B 52-001-1 (2013). Elle contient quatre classes en partant de la meilleure à la plus mauvaise qualité : 1, 2, 3 et Rejet. Elle se base sur les défauts visibles à l’oeil nu et qui dégraderaient les caractéristiques mécaniques des sciages (noeuds, fentes, flaches… etc). Le classement est réalisé en respectant un tableau qui précise les valeurs seuils qu’un défaut doit avoir pour être accepté dans une classe. Ce tableau est différent pour chaque essence. La norme indique la correspondance entre les classes visuelles et certaines classes de la NF EN 338 (2016). Par exemple, pour le chêne, la classe 1 correspond à D30, la classe 2 correspond à D24 et 3 correspond à D18. A noter que le classement visuel limite la haute classe à D30, Plusieurs études ont montré que le classement visuel conduisait à une forte sous-estimation de la qualité mécanique d’une grande partie des sciages de chêne.

On peut citer celle de Lanvin et al. (2007) qui ont travaillé sur 2 000 sciages de chêne sessile et pédonculé. A la suite des essais destructifs respectant les exigences normatives en vigueur, le MOE et le MOR ont été déterminés et le classement optimal a été établi. En comparant ce classement au classement visuel, il s’est avéré que ce dernier sous estimait très largement les performances mécaniques du lot étudié (figure 1.10). D’après les auteurs, ce phénomène est dû en particulier à la mauvaise corrélation entre la nodosité du chêne et les propriétés mécaniques. Par ailleurs, la méthode visuelle présente aussi l’inconvénient d’être limitée en cadence avec une faible répétabilité et une subjectivité en fonction de l’opérateur qui tri. C’est pour ces raisons que le classement par machine est essentiel pour amener une meilleure efficience au classement et une meilleure valorisation des essences

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 Synthèse bibliographique
1.1 Généralités sur les feuillus
Croissance d’un arbre
Composition du matériau
Structure multi-échelle
Singularités du bois
1.2 Aspects normatifs relatifs au bois de structure
Définitions
Classement optimal
Classement visuel
Classement par machine
1.3 Méthodes et machines pour le classement mécanique
Machines basées sur la mesure globale du MOE
Machines basées sur des cartographies
Comparatif des méthodes de classement
1.4 Conclusion, objectifs et structuration de l’étude
Chapitre 2 Analyse des propriétés mécaniques d’un lot de sciages de chêne de qualité secondaire obtenues par essais destructifs
2.1 Introduction
2.2 Cas du bois sans défaut
Préparation des éprouvettes
Appareillage
Analyse des résultats en fonction des modes de rupture
Comparaison des propriétés avec les données de la littérature
Bilan
2.3 Cas des planches
Échantillonnage et protocole d’essai
Résultats des essais destructifs
Corrélations entre les grandeurs mécaniques et physiques
Correspondances entre les propriétés des éprouvettes de faibles et grandes dimensions
Relations entre le MOE et MOR et les caractéristiques des noeuds
Classement visuel
Bilan
Chapitre 3 Prédiction des propriétés mécaniques à partir de mesures vibratoires
3.1 Introduction
3.2 Principe général des mesures vibratoires
3.3 Validation des modèles par validation croisée
3.4 Modèle basé sur la première fréquence de résonance
Essai vibratoire longitudinal
Essai vibratoire transversal sur chant
3.5 Modèle basé sur plusieurs fréquences propres
CHAPITRE 1 : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE 7
Principe
Principe théorique de la régression multilinéaire
Résultats de prédiction
3.6 Modèle basé sur l’analyse du spectre fréquentiel
Principe 5
Normalisation des fréquences
Normalisation des spectres
Critère de sélection des fréquences
Méthode des moindres carrées partiels (PLS)
Résultats de prédiction
Influence de la valeur seuil du R² bilatéral
Bilan
3.7 Conclusion
Chapitre 4 Prédiction des propriétés mécaniques à partir de la cartographie des orientations des fibres
4.1 Introduction
4.2 Description de la machine de mesure de l’ODF (BobiScan)
Principe de fonctionnement du BobiScan
Répétabilité de la machine
Données de sortie
4.3 Modélisation de l’évolution des propriétés mécaniques en fonction de l’ODF
Protocole
Résultats de la caractérisation expérimentale des éprouvettes
Modèles
Comparaison des modèles
Bilan
4.4 Prédiction des propriétés mécaniques des sciages à partir des grandeurs statistiques d’ODF
4.5 Description d’un modèle élaboré basé sur l’ODF
Prédiction du MOE
Prédiction du MOR
4.6 Bilan
Chapitre 5 Comparaison et impact des modèles sur le classement mécanique
5.1 Introduction
5.2 Synthèse des résultats de prédiction
5.3 Protocole de classement par machine
5.4 Indices d’évaluation du classement
5.5 Résultats des classements mécaniques
Comparaison de classement sur le lot complet
Comparaison de classement sur une distribution uniforme des MOR des sciages
5.6 Analyse des critères de choix pour une machine de classement
Machine vibratoire longitudinale
Machine vibratoire transversale
Scanner de mesure de l’orientation des fibres
5.7 Conclusion
CHAPITRE 1 : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
Conclusion générale
Table des figures
Table des tableaux
Bibliographie

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