4.2 Etude expérimentale
4.2.1 Mise en oeuvre de l'étude
4.2.1.1 Matériel végétal et
préparation des échantillons
3 Résineux ont été prélevés
dans la région de Bordeaux. Il s'agit de 3 arbres jeunes (21 ans pour
l'Epicéa, 18 ans pour le Pin sylvestre, 13 ans pour le Pin
maritime) très fortement inclinés par une tempête (1999)
et ayant basculé droit par déficience du système
raçinaire. Sur
les trois essences, la partie haute du tronc avait
retrouvé sa verticalité.
103
Vers une description de l'anisotropie élastique du bois de
réaction
Le pin sylvestre présentait deux axes (axe
réitéré) n'appartenant pas au même plan.
4.2.1.2 Mesures in situ
Mesures des Indicateurs de Contrainte de Croissance (A. et B.
Thibaut)
Après écorçage jusqu'au cambium, une
couronne de 8 points de mesures (espacés chacun de
45 degrés) d'indicateurs de contrainte de croissance
(ICC) a été réalisée à une hauteur
de
1,30m sur chaque essence. La méthode de mesure des ICC,
dite du trou unique, consiste en la mesure des déplacements par un
capteur électronique autour d'un trou foré à la
surface écorcée. Les déplacements mesurés
résultent d'une modification du champ de contraintes induite par
le perçage (Bailleres, 1994).
Un disque a été tronçonné au
niveau des mesures des ICC et les distances de chacun des points de
mesure d'ICC relevées. Simultanément des billons ont
été découpés juste en dessous
de ces disques afin d'en extraire des jeux d'éprouvettes
utiles à des essais mécaniques ou des mesures de retrait.
Figure 4.1 Billon d'Epicéa E3
Figure 4.2 Billon de Pin maritime (PM)
104
Vers une description de l'anisotropie élastique du bois de
réaction
Figure 4.3 Billon de Pin sylvestre (PS2)
4.2.1.3 Mesures en laboratoire
Mesures des retraits longitudinal et tangentiel
(A.Thibaut)
Les mesures de retrait radial (RR), tangentiel (RT) et
longitudinal (RL) ont étés réalisées sur des
éprouvettes (extraites des rondelles précédente) de
dimensions 20x20x50mm (+/-1%). Les dimensions et masse des
éprouvettes ont étés relevées à
l'état vert puis pour différentes stabilisation en ambiance
régulée en température et humidité relative HR
(30° et 80% HR, 20°
et 30%HR, 0% HR). Par différence entre la masse humide
et la masse anhydre, pour chaque ambiance, le taux d'humidité des
éprouvettes a été déterminé. Les retraits
totaux sont ensuite calculés, pour les directions radiale, tangentielle
et longitudinale par différence de dimensions entre l'état vert
et l'état anhydre. Nous ne présenterons ici que les retraits
totaux calculés par
le CIRAD entre l'état vert et l'état anhydre.
Certains retraits n'ont pas été calculés en raison
de la présence de noeud. D'autres, réalisés
uniquement sur des éprouvettes plus petites ne sont pas figurés
pas soucis d'homogénéité dans la présentation.
Etudes anatomiques (J. Ruelle)
a) Préparation des échantillons
Des couples d'échantillons correspondant aux fortes
valeurs d'ICC et de retrait longitudinal et aux faibles valeurs d'ICC et
de retrait longitudinal ont étés prélevés.
Sur ces mêmes échantillons, des coupes d'épaisseurs 15
um, ont étés réalisées au microtome, puis une
double coloration safranine (colorant des parois lignifiées) / bleu
alcian (colorant de la cellulose) a
été appliquée.
b) Observations microphotographiques (dimensions cellulaires et
AMF ö)
Les coupes microtomées ont ensuite été
montées en lame mince pour pouvoir être observées par
microscopie (grossissements 100X et 500X) puis photographiées
numériquement. Les critères géométriques
mesurés et fournis par l'auteur sont :
diamètre radial (FLDR) et tangentiel (FLDT) des lumens
des fibres (exprimés en um)
105
Vers une description de l'anisotropie élastique du bois de
réaction
épaisseur de la double paroi radiale (FepPR),
tangentielle (FepPT) calculées par
l'auteur, sur chaque cellule, par la différence
entre le diamètre externe de la fibre
(non fourni) et le diamètre du lumen dans la direction
donnée.
L'ensemble des mesures de ces critères anatomiques a
étés réalisé par un traitement d'images
(routines écrites en Analytical Language for Images et
logiciel de traitement Optimas).
L'inclinaison des microfibrilles dans la sous couche S2 des
cellules de bois initial et final de chaque échantillon a
également été mesurée. La méthode de mise en
évidence et de mesures des microfissures est celle mise au point et
décrite dans Senft et al (1985). Pour chaque coupe
mince sont déterminés les angles dans S2 d'environ
80 microfibrilles.
Mesures des modules élastiques longitudinaux par
méthode vibratoire (A.Thibaut)
Des éprouvettes sèches à l'air de
25x25x500mm (+/-1%), en appui sur des supports élastiques ont
été percutées radialement (PR) et tangentiellement
(PT) (méthode mise au point par Bordonné en 1989). Les
vibrations libres du signal résultant ont été, une fois
acquises par un microphone, numérisées puis traitée par le
logiciel Bing 2000 du CIRAD Forêt (transformées
de Fourrier puis analyse spectrale). Par calcul, est
déduite une appréciation du module élastique.
Essais de compression longitudinale jusqu'à rupture
(A. Thibaut)
Des éprouvettes (20x20x60mm) ont été
taillées selon la direction longitudinale dans chacune des zones
définies dans la rondelle (Figures 4.2 et 4.3).
Les données numériques (fichiers txt)
relatives aux essais de compression longitudinale jusqu'à rupture
ainsi que les dimensions des éprouvettes testées ont
été fournies par l'équipe Bois du CIRAD Montpellier.
a) Dispositif expérimental
La machine de traction compression (à plateau
inférieur rotulé) est une machine hydraulique Adhamel Lomargy DY
36 équipée du logiciel d'acquisition et de pilotage Testworks
(société MTS). Des précharges de 10 N ont
été appliquées avant essai sur des
éprouvettes de
20x20x60cm. La vitesse de sollicitation est de 0,01 mm/s et le
capteur de force est de 100 kN
(+/-10 N), la position de traverse est estimée avec une
incertitude de 1/100 mm.
b) Procédure d'exploitation des résultats
A partir des courbes expérimentales, et
après identification du domaine de comportement linéaire,
des rigidités longitudinales équivalentes (pente) sont
calculées par régression linéaire. A partir des
dimensions de l'éprouvette, les modules d'élasticité
longitudinaux de chaque échantillon ont été
déduits. La sélection des points de mesure pris en
compte s'est faite avec le souci d'un coefficient de régression
linéaire le plus proche de l'unité. La longueur de chaque
éprouvette est de 60mm, l'ordre de grandeur de la section carrée
est de 4
cm2 (mesurée au 1/100 de mm).
106
Vers une description de l'anisotropie élastique du bois de
réaction
Essais préliminaires de compression sur des
échantillons cubiques centimétriques
a) De l'arbre sur pied aux cubes
Sur chacune des rondelles issues des billons
prélevés in situ (Figures 4.1, 4.2 et 4.3), des zones
d'études (zones 1, 2, 3, 4) espacées chacune de 90 degrés
ont été définies. Les zones 1
et 2 correspondent à des échantillons
situés dans la zone la plus colorée de chaque rondelle les zones
3 et 4 sont diamétralement opposées respectivement aux zones 2 et
1. De chacune de ces zones (quartiers) ont étés extraits des
barreaux qui ont été amené à l'état sec
à l'air après séchage à l'étuve
(80°C progressivement durant 6 jours jusqu'à ce que la
masse soit stabilisée). Ce premier séchage a été
réalisé afin de faciliter la découpe.
Une barrette verticale a ensuite été
taillée dans la profondeur disponible de chacun des barreaux. A
partir de cette barrette, des échantillons de forme cubique ont
été découpés. Suivant les conditions techniques
de la découpe (épaisseur disponible dans la rondelle), 2 ou 3
éprouvettes grossièrement cubiques ont été
extraites. Ces éprouvettes ont ensuite étés
fraisées pour leur donner des arrêtes de 2cm. Avant les essais,
les échantillons ont été soumis à un nouveau
séchage à l'étuve (80°C durant 6 jours). La
pesée des échantillons (+/- 0,01g) à été
réalisée avant chaque série d'essais. La mesure de chacune
des faces (+/-1% répétées deux fois) a été
faite en sortie de l'étuve.
Les essais mécaniques, réalisés sur les
cubes, ne peuvent en toute rigueur être qualifiés d'essais
de compression. Ils n'obéissent en effet pas aux règles de
normalisation classiques
(entre autre la longueur de l'éprouvette sur le
coté de sa section carrée doit être compris entre
3 et 4 (Martin, 1984)). L'ambition initiale était moins de
déterminer des modules d'élasticité normalisés que
d'évaluer des rapports d'anisotropie élastique du bois de
compression.
b) Dispositif expérimental utilisé
Les essais mécaniques ont été conduits,
à l'ENSAM Talence, sur une machine hydraulique de traction compression
Adhamel Lomargy DY 36 pilotée en force et à plateaux non
rotulés. Les compressions réalisées selon les directions
radiale et tangentielle ont été menées en utilisant la
partie haute de la machine (capteur de force 1kN +/-10-1N),
les essais de compression longitudinaux font appel à une utilisation
de la partie basse (capteur 10kN+/-10N).
La vitesse de sollicitation, commune aux deux types d'essais, est
de 0,1mm/min. L'incertitude
sur le déplacement de traverse (acquis par le
logiciel Autotrack) est de 10-2mm (cette incertitude
correspond à chaque « palier » horizontal sur les
Figures 4.4 et 4.5). Des prés charges de 1N pour les essais
transverses et de 10N pour la compression longitudinale sont
appliquées.
c) Déroulement des essais
Les cubes ont ensuite été soumis chacun à
une sollicitation dans des directions correspondant approximativement aux
directions d'orthotropie du bois. Chaque essai a été
mené avec le souci de ne conduire qu'à une déformation
maximale de 2% tout en étant dans le domaine de comportement
linéaire du matériau.
Compte tenu du fait que le déplacement est un
déplacement de traverse et non un déplacement mesuré sur
les faces, nous parlerons plus de déformation apparente ou de
déplacement de
107
Vers une description de l'anisotropie élastique du bois de
réaction
traverse que de déformation ou déplacement
d'échantillons. La même remarque est valable
pour les caractéristiques élastiques
calculées. d) Procédure d'exploitation des résultats
Après acquisition des fichiers numériques
et identification d'une partie du domaine de
comportement linéaire de chaque échantillon, un
traitement manuel des courbes conduit, pour chaque direction de compression,
à la sélection d'une gamme de points de mesures :
pour les directions transverses de compression ; les
déplacements considérés seront ceux correspondant
à une valeur de force appliquée comprise dans l'intervalle
[300N,
500N] soit une contrainte appliquée comprise dans
l'intervalle [0.75MPa, 1.25MPa]
(Figure 4.4, Epicéa A4, compression radiale).
dans la direction longitudinale les déplacements
sélectionnés correspondront à une valeur de force
appliquée comprise dans l'intervalle [1000N, 2500N] soit une
contrainte appliquée située dans l'intervalle [2.5MPa,
7.5MPa] (Figure 4.4, Epicéa A4, compression longitudinale).
Une régression linéaire permet, de
déterminer une estimation des raideurs (ou rigidités)
apparentes Kapp.ech de chaque échantillon.
Le coefficient de régression linéaire
minimal obtenu sur l'ensemble des échantillons correspond
à l'exploitation de l'essai longitudinal de E1A1, sa valeur est de
0,93.
Nb : Pour chaque essence et chaque « type de bois
», des compressions d'un cube jusqu'à rupture ont
été menées afin de vérifier que l'essai
correspondait bien au domaine de comportement linéaire.
Figure 4. 4 Essai de compression radiale sur
l'Epicéa
Les courbes force déplacements obtenues montrent
toutes un important pieds de courbe, imputable au rattrapage de jeu de la
machine (contact échantillon plateau).
108
Vers une description de l'anisotropie élastique du bois de
réaction
Figure 4.5 Essai de compression longitudinale sur
l'Epicéa
Estimation de la rigidité apparente du dispositif
expérimental
Pour chaque configuration du montage (partie haute pour les
compressions transverses, partie
basse pour une compression longitudinale) et avant
chaque série d'essais (plusieurs
utilisateurs de la machine), une estimation de la
rigidité apparente
K app.Dispo. du dispositif
expérimental, a été fournie par une
compression à « blanc » des deux plateaux.
Pour les essais de compression longitudinale la rigidité
apparente du dispositif est évaluée à
3,09.107 N/m. Pour les essais de compression
transverses, réalisés en deux temps, elle est
estimée à 4,06.106 N/m ou 4,20.106 N/m
(plusieurs utilisateurs de la machine).
Nb : ces estimations ont été
réalisées dans la gamme de forces utilisée pour les essais
sur les cubes.
A titre de comparaison, les rigidités apparentes
expérimentales des cubes dans la direction longitudinale sont de
l'ordre de 2,00.107 N/m et de l'ordre de 3,00.106 N/m
pour les directions transverses.
Une fois ces valeurs estimées, des corrections sur les
raideurs apparentes des échantillons ont étés
apportées en modélisant le système (dispositif -
échantillon) par l'association en série de
deux ressorts de raideur
K app.Dispo. et Kapp.ech . La raideur apparente
corrigée
Kech .corr de
chaque échantillon testé est donc donnée par
la relation (4.1):
(4.1)
Kech.corr =
Kapp.ech K
app.Dispo
Kapp.Dispo
Kapp.ech
Incertitudes sur la détermination des
différentes caractéristiques élastiques
Pour un essai de compression selon une direction z, notant F, la
valeur de la force appliquée,
d le déplacement de traverse relevé,
module d'Young apparent s'écrit (4.2)
L x , L y , L z les dimensions de l'échantillons
testé, le
F L
(4.2)
E = z
z Lx L y d
109
Vers une description de l'anisotropie élastique du bois de
réaction
L'incertitude sur le module d'élasticité dans
la direction z, E z est alors (4.3)
(4.3)
?E z
?F ?L x ?L y ?L z
+ ?d
+ + +
E z F L x
L y L z d
nb : pour les éprouvettes du Cirad
Forêt, l'incertitude
?L z sur la dimension
L z de
l'échantillon est distincte des deux autres
déterminées au pieds à coulisse. Essai de compression
jusqu'à rupture (Montpellier)
Dans les conditions expérimentales des essais
réalisés à Montpellier, l'ensemble des relations
définies en (4.4) fournit une estimation par excès de
l'incertitude sur les modules d'élasticité apparents des
échantillons (4.5) :
3
?F
= 4 10
F
= 3 10
?L x = ?L y 3
L x L y
(4.4)
?d
2
= 4 10
d
?L z
L z
= 4 10 2
(4.5)
?E z
E z
0,09
De manière analogue, l'ensemble des relations
définies en (4.6) et (4.7) fournit des
estimations des différentes incertitudes (dans la gamme de
points de mesure choisie) pour les essais de compression radiale et
tangentielle sur les éprouvettes cubiques :
3
?F
= 3 10
F
(4.6)
?L x,
L x
= ?L y,
L y
= ?L z
L z
= 10 2
?d
2
= 3 10 .
d
(4.7)
?E x, y
0,09
E x, y
Pour l'essai de compression longitudinale, l'incertitude est
110
Vers une description de l'anisotropie élastique du bois de
réaction
2
?F
= 10
F
(4.8)
?L x,
L x
= ?L y,
L y
= ?L z
2
L z
= 10 2
?d
= 8 10 .
d
(4.9)
?E z
E z
0,15
| 
