Essais sur le bois

Le bois est un matériau omniprésent qui a été utilisé dans la construction depuis les temps les plus anciens. Renouvelable et durable, le bois est un matériau structurel largement utilisé en ingénierie pour la construction de bâtiments résidentiels unifamiliaux ainsi que pour la charpente de cloisons et d’autres éléments non structurels dans les bâtiments commerciaux et industriels.

En raison de son origine naturelle, le bois a des propriétés mécaniques liées à l’espèce individuelle de l’arbre. La teneur en humidité et d’autres variables, par exemple, la présence de défauts. Pour une application spécifique, un concepteur doit examiner attentivement les charges prévues sur un élément ou une structure en bois afin d’assurer une efficacité maximale du matériau.

Cette vidéo illustre comment tester les propriétés mécaniques de différents types de bois et déterminer leur comportement sous contrainte-déformation et leurs performances flécturales.

Le bois est composé de cellules allongées, rondes ou rectangulaires en forme de tube qui sont beaucoup plus longues que larges. À l’intérieur de la paroi, il y a plusieurs couches faites de microfibrilles, qui sont des faisceaux de polymères de cellulose.

Les chaînes de microfibrilles sont alignées dans des directions distinctes à l’intérieur des couches des parois. La paroi médiane, avec ses chaînes alignées le long de la dimension la plus longue de la cellule, fournit la majeure partie de la résistance à la cellule, tandis que les chaînes diagonales des parois intérieure et extérieure assurent la stabilité. La lignine lie les polymères de cellulose ainsi que les chaînes de microfibrilles et les cellules des parois. L’effet de regroupement de nombreuses cellules permet d’obtenir un matériau de construction très résistant.

Le bois est un matériau biologique et, par conséquent, est très sensible à la pourriture environnementale et aux attaques de parasites. Une grande partie du bois utilisé aujourd’hui est prétraitée avec des produits chimiques pour le protéger de l’environnement et des attaques d’insectes.

Le bois est un matériau non homogène caractérisé par un grand nombre d’imperfections ou de défauts tels que, par exemple, des nœuds et des fentes. En conséquence, de grands facteurs de sécurité ou des rapports entre la résistance nominale et la résistance ultime réelle sont utilisés pour tenir compte de la grande variation des propriétés techniques des différentes pièces de bois.

En raison de sa composition cellulaire, le bois est un matériau orthotrope, ayant des propriétés différentes le long de l’axe longitudinal et, respectivement, de l’axe transversal par rapport à la direction du grain. En conséquence, le matériau se comportera différemment face à des charges parallèles ou perpendiculaires à la fibre de bois. Les propriétés orthotropes du bois peuvent être améliorées par différentes méthodes.

Les stratifiés tels que le contreplaqué sont constitués de couches avec des fibres alignées dans des directions perpendiculaires, ce qui donne un matériau isotrope. Alternativement, le bois lamellé-collé est constitué de fines bandes de fibres alignées dans la même direction et collées sous pression, tirant leur résistance de la répartition des défauts.

La composition cellulaire du bois tient également compte de l’eau libre à l’intérieur des cavités cellulaires et de l’eau liée aux parois cellulaires. Par conséquent, la teneur en humidité est un paramètre clé pour déterminer la résistance du bois et, en général, la réduction de l’humidité entraînera une augmentation de la résistance. Les changements volumétriques associés au séchage peuvent entraîner un retrait et une distorsion non uniformes tels que la torsion, l’arc, la tasse ou la courbe.

Comme le bois est un matériau polymère, il est également sujet au fluage ou, sous charge constante, à une déformation visqueuse continue. Lorsque la charge est relâchée, la majeure partie de la déformation est récupérée. Par conséquent, le bois peut généralement supporter des contraintes beaucoup plus élevées si la durée de charge est courte. Étant donné que tous ces facteurs seraient trop complexes pour être utilisés dans la conception quotidienne, à des fins structurelles, nous utilisons ce qui suit : une analyse statistique des valeurs finales de résistance sans défaut pour de nombreuses essences, des corrections pour la teneur en humidité et des rapports de résistance basés sur la qualité du bois pour corriger les effets de réduction de la résistance.

Les propriétés couramment indiquées pour la plupart des bois sont publiées sous forme de tableau pour une référence facile. Ces propriétés sont : la contrainte de flexion admissible, la tension parallèle au grain, le cisaillement horizontal, la compression perpendiculaire au grain, la compression parallèle au grain et le module d’élasticité. En plus des propriétés de base spécifiques à l’orientation de l’essence de bois, il devrait être évident que tous les bois ne se comportent pas de la même manière sous charge.

Maintenant que vous comprenez les propriétés physiques du bois et les principes des tests du bois, utilisons-les pour effectuer quelques tests.

Avant de commencer, choisissez trois variétés de bois à comparer. Pour chaque variété, préparez deux échantillons de cube de compression dont les dimensions nominales du bord sont de 3,5 pouces. Assurez-vous que les cubes sont exempts de défauts et que leurs surfaces opposées sont parallèles. Marquer un spécimen de chaque variété à l’essai avec une charge appliquée parallèlement au grain, et les autres spécimens à l’essai avec une charge appliquée perpendiculairement au grain.

Mesurez la hauteur de la direction de charge de chaque éprouvette à l’aide d’un pied à coulisse. Et répétez la mesure à quelques endroits pour déterminer la moyenne approximative. Lorsque vous avez terminé, utilisez la même procédure pour déterminer les dimensions de la section transversale de chaque échantillon.

Configurez la machine d’essai universelle comme indiqué dans la vidéo JoVE concernant les constantes de matériau. Ensuite, centrez soigneusement un échantillon dans le bon sens sur le plateau de compression. Abaissez la traverse jusqu’à ce qu’une légère charge soit appliquée, puis utilisez les commandes fines pour ramener la charge aussi près de zéro que possible.

Appliquez maintenant la charge de compression à un taux de charge de 40 psi par seconde. L’essai de compression peut se poursuivre pendant plusieurs minutes à mesure que la charge augmente et avec une déformation visible importante dans l’éprouvette. Laissez l’essai se poursuivre jusqu’à ce qu’une charge maximale évidente soit atteinte.

Enregistrez la charge maximale à la fin de l’essai, puis répétez la procédure pour les échantillons restants.

Effectuez un autre essai de compression et, cette fois, appliquez la charge perpendiculairement au grain de l’éprouvette. Répétez la procédure pour les autres essences de bois.

Préparez maintenant quelques spécimens d’os de chien en utilisant les trois mêmes essences de bois. Préparez une série d’éprouvettes avec le grain parallèle à la dimension longue, et une deuxième série avec le grain perpendiculaire à la dimension longue.

Effectuez des essais de tension sur les six éprouvettes, comme le montre la vidéo JoVE, concernant les caractéristiques de contrainte-déformation de l’acier.

Obtenez un deux par quatre d’environ 24 pouces de long de chaque essence de bois. Installez l’appareil d’essai de flexion en quatre points sur la machine d’essai universelle. Une fois que l’appareil est prêt, démarrez la machine d’essai. Ajustez les paramètres de test pour enregistrer les charges et les valeurs de la traverse, et capturer la charge maximale. Installez l’échantillon dans l’appareil et abaissez la traverse supérieure jusqu’à ce que l’appareil commence à entrer en contact avec la poutre en bois.

Appliquez la charge à un taux de 2 000 livres par minute jusqu’à ce que la poutre se rompe. Enregistrez la charge de défaillance lorsque l’essai est terminé, puis répétez l’essai pour les échantillons restants.

Utilisez un tableau pour résumer les résultats des essais de compression, de tension et de flexion. Ensuite, dans chaque colonne, normalisez les données à la valeur maximale et créez une nouvelle table.

Maintenant, jetez un coup d’œil à vos résultats. Comme le montrent systématiquement tous les résultats, le chêne est le bois le plus résistant, suivi de l’épicéa et du pin du sud. Pour les deux propriétés les plus importantes, la résistance à la flexion et à la compression parallèle au grain, l’épicéa semble être à environ 87 % et le pin du sud à environ 78 %, aussi fort que le chêne. Compte tenu de la très grande différence de prix entre les bois, le pin du sud, le moins cher d’entre eux, est un choix très efficace.

Les essais sur le bois sont d’une importance capitale dans l’ingénierie structurelle pour évaluer la capacité des conceptions finales à supporter les contraintes et les contraintes lors d’une utilisation régulière afin de garantir la sécurité des produits et la conformité aux normes internationales.

Dans un essai de flexion en quatre points, une poutre simplement supportée est chargée avec deux charges équivalentes à son troisième point, ce qui donne une partie centrale avec un moment constant et un cisaillement nul. Cet essai est essentiel pour les systèmes de plancher où les éléments structurels du bois sont principalement chargés par des contraintes de flexion.

Jusqu’à récemment, les structures en bois étaient limitées à trois ou quatre étages dans un appartement ou un petit immeuble de bureaux. Le développement du bois lamellé-croisé a abouti au développement de systèmes structurels capables d’atteindre huit étages ou plus. Des bâtiments beaucoup plus hauts, de l’ordre de 20 étages, sont encore en cours de développement.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE aux tests du bois. Vous devez maintenant comprendre les propriétés techniques du bois et comment effectuer des essais de traction, de compression et de flexion sur des échantillons de bois.

Merci d’avoir regardé !