Essais sur bois

Structural Engineering

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Overview

Source : Roberto Leon, département de génie Civil et environnemental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Le bois est un matériau omniprésent qui a été utilisé dans la construction des premiers temps. Le bois est un matériau renouvelable et durable d’une grande valeur esthétique. Aujourd'hui, il y a probablement plus de bâtiments construits avec du bois que tout autre matériau structurel. Beaucoup de ces édifices sont des résidences unifamiliales, mais beaucoup plus grands immeubles d’habitation, ainsi que des bâtiments commerciaux et industriels, aussi utilisent un cadrage de bois.

L’utilisation généralisée des bois dans la construction a recours de façon économique et esthétique. La possibilité de construire des bâtiments bois avec un minimum d’équipement a gardé le coût des bâtiments Quasis concurrentiel avec d’autres types de construction. En revanche, où les considérations architecturales sont importantes, la beauté et la chaleur du bois exposée est difficile à assortir avec d’autres matériaux.

Les objectifs de cette expérience sont à effectuer des essais de traction et de compression sur trois types de bois pour étudier leur comportement contrainte-déformation et procéder à un essai de flexion quatre points sur une poutre en bois pour vérifier ses performances en flexion. Dans un essai de flexion quatre points, une poutre simplement appuyée est dotée de deux charges de point égal à ses points de troisième, ayant pour résultat une portion centrale avec moment constant et zéro au cisaillement. Il s’agit d’un test important parce que les éléments structures en bois sont souvent utilisés dans les systèmes de plancher et sont donc principalement chargés par flexion.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Structural Engineering. Essais sur bois. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Le bois est composé de cellules tubulaires allongées, rondes ou rectangulaires. Ces cellules sont beaucoup plus longue (2 à 4 mm) qu’ils sont ensemble (20-40 μm), avec la longueur des cellules souvent liée à la longueur de l’arbre. Les parois cellulaires sont faites de cellulose (un polymère), avec des chaînes polymériques alignés dans des directions différentes dans chacune des couches qui constituent la paroi cellulaire. Le mur central, avec ses chaînes alignées le long de la dimension la plus longue de la cellule, fournit l’essentiel de la force de la cellule, alors que les chaînes de diagonale de la paroi intérieure et extérieure offrent une stabilité. La structure de la paroi cellulaire est semi-cristallin, avec des structures cristallines de 30 à 60 μm de longueur suivie de courtes sections amorphes. Les chaînes et les cellules sont liés ensemble par un matériau connu comme la lignine. Chaque cellule est relativement faible, mais l’effet au groupement de plusieurs cellules ensemble fourni par les résultats de la lignine dans un matériau de construction très solide et utile. Une bonne analogie pour cela est la résistance d’une boisson unique paille versus celle de nombreuses paillettes collées ou liés entre eux.

Le simple fait que le bois est un matériau biologique rend très sensible à la dégradation environnementale et attaque de parasites si elle est exposée aux éléments. Ainsi, une grande partie du bois utilisé aujourd'hui est prétraitée avec des produits chimiques pour le protéger de l’environnement et l’attaque des insectes. Que le bois est un matériau biologique signifie aussi qu’il y a une grande variation dans les propriétés mécaniques entre les morceaux de bois, même au sein de la même espèce d’arbre. Un grand nombre des imperfections seront inévitablement présent, faisant du bois un matériau inhomogène. Ces défauts sont le résultat de nœuds, où une partie d’une branche ou une branche a été intégrée dans le corps principal de l’arbre. En conséquence, gros coefficients de sécurité, ou les rapports de force de conception de résistance à la rupture réelle, sont utilisés en bois design. Valeurs typiques pour les coefficients de sécurité en bois sont 2.5 pour les membres en flexion, et codes de calcul sont calibrés tels que 99 % des députés auront au moins un facteur de 1,25 de sécurité.

La composition cellulaire du bois en fait un matériau orthotrope. Ainsi, les propriétés seront différentes si le matériel est chargé en parallèle ou perpendiculaire au côté long des cellules. Cette propriété signifie que la théorie habituelle d’élasticité ne peut pas être utilisé directement car le matériel n’est pas isotropes (mêmes propriétés dans toutes les directions de trois) mais orthotrope (propriétés distinctes dans deux directions : longitudinal et transversal à la cellule plus longtemps direction). La composition cellulaire signifie également que la teneur en humidité du bois est un paramètre clé dans la détermination de sa force. Ces deux facteurs serait trop complexes pour une utilisation dans la conception de tous les jours, alors le dessin du bois à des fins structurelles est basé sur la théorie linéaire et contraintes admissibles déterminés par l’approche suivante :

  1. Une analyse statistique d’un grand nombre d’essence ultime (ou sans défaut) force des valeurs pour les différentes espèces commerciales est effectuée. Les tensions nominales reposent sur 95 % des valeurs étant plus grand et 5 % étant inférieure à la résistance à la rupture nominale.
  2. Les valeurs sont corrigées pour tenir compte de la teneur en eau, comme ce facteur influe beaucoup sur la plupart des propriétés mécaniques du bois. L’humidité dans le bois se compose principalement d’eau libre dans les cavités cellulaires et eau liée dans les parois cellulaires. Lorsque le bois est séché, il est facile à enlever l’eau libre, mais beaucoup plus difficile à enlever l’eau liée. Le taux d’humidité à laquelle l’eau commence à être retiré de la paroi cellulaire est appelé le point de saturation des fibres (FSP). En général, des réductions dans l’humidité entraîner augmente en force, surtout que le niveau descend sous le FSP. Bois dans son état vert (ou fraîchement coupées) auront une teneur en humidité importante (plus de 100 % pour les espèces comme le balsa) et ne commencera pas à reprendre des forces importantes jusqu'à ce que sa teneur en humidité est inférieure à la PSA, qui oscille entre 22 % et 30 % pour la plupart des espèces. Bois de œuvre est considéré comme avoir été raboté vert (ou couper en condition humide) lorsque sa teneur en humidité est supérieure à 19 % et raboté si sec au-dessous de cette limite. Bois séché à l’air aura une teneur en humidité d’environ 12-15 %, tandis que séché au bois est inférieure à 10 %. Le bois est uniquement séché au four si nécessaire pour des applications spéciales telles que des meubles ; pour les applications structurelles plus courantes séchant à l’air est suffisante.
  3. Les rapports de force sont ensuite utilisés pour ajuster les valeurs d’essence afin de tenir compte des défauts de strengthreducing autorisés dans un grade donné de stress. Grades de stress, une mesure de la qualité du bois ingénierie, sont généralement affectés en fonction lors d’une inspection visuelle rapide ou de plier les tests exécutés dans la chaîne de production. Dans ce dernier cas, la rigidité est proportionnelle à l’indice d’élasticité, et qui est ensuite corrélé à la force. Les propriétés communément données pour la plupart des bois sont la contrainte de flexion admissible (F,b), cisaillement horizontal (Fv), compression parallèle aux fibres (Fc), compression perpendiculaire aux fibres (Fc) et le module d’élasticité (E). Outre les propriétés de base spécifiques à l’orientation d’une espèce de bois, il devrait être évident que pas tous les bois comportent pareillement sous charge. Les bois tendres, tels que l’épinette, le pin ou le sapin, sont relativement peu coûteux et sont donc utilisées principalement à des fins structurelles dans les structures de lumière-cadre. Des bois plus durs, comme le chêne ou l’hickory, ont un taux de croissance différents et le motif, rendant les bois plus difficiles à reconstituer, tout en donnant les caractéristiques supérieures de certaines applications de construction.

Il est important de noter que les grands changements volumétriques sont associées à des réductions des taux d’humidité. Le rétrécissement qui résulte de l’évaporation n’est pas uniform. Par exemple, pour le Douglas taxifolié, le retrait radial est de 4,8 %, le retrait tangentiel est de 7,6 % et le retrait volumique est de 12,4 %. Car le bois est un matériau polymère, il est également sujette à s’insinuer ou continue visqueux comme déformation sous constante de charge. En conséquence, bois peut généralement supporter beaucoup contraintes plus élevées si la durée de chargement est courte. Un facteur de durée de charge est utilisé pour tenir compte de ce comportement. Si les durées de charge sont courtes, par exemple, 10 minutes ou moins pour le cas de charges de tremblement de terre et de grandes tempêtes, les valeurs de calcul peut être multiplié par 1,6 car la durée de charge est suffisamment courte pour qu’aucun appréciable de fluage ne peut se produire.

Autres facteurs de correction communément utilisés sont le facteur de taille, le facteur membre répétitives et le facteur de forme. Le facteur taille représente pour le fait que les tests de bois la plupart données sont générées à partir de faisceau peu profonde, moins de 12 po de profondeur et il est bien connu que la force moyenne diminue avec la taille du membre augmente en raison de la présence de défauts (la taille de ce que l'on appelle effect). Le facteur de répétition est utilisé pour tenir compte du fait que les membres de bois sont souvent utilisés à proximité d’un de l’autre et sont liés ensemble par diaphragmes de plancher et des collectionneurs, alors la faiblesse ou l’échec d’un membre individuel ne conduit pas à une excessive s’effondrer (c.-à-d., échecs seront localisées). Enfin, le ratio d’aspect (profondeur/épaisseur) d’un membre affecte également les résultats des tests. Tous ces facteurs de correction sont fondamentalement empirique, mais justifiées selon les statistiques de résultats de tests de laboratoire et l’expérience de la performance dans le domaine.

Les propriétés orthotropes du bois peuvent être améliorées en créant des stratifiés, comme le contreplaqué, où couches avec fibres alignées en résultat des directions perpendiculaires dans un matériau isotrope. De manière similaire, les membres ont fait de fines bandes de fibres alignées dans la même direction et collées sous pression, ou coller le stratifié (lamellé-collé), tirent leur force de distribuer des défauts.

Procedure

Essai de compression

  1. Obtenir nominale 3-1/2" compression cube spécimens de trois bois (pin, l’épicéa et le chêne par exemple). Les cubes peuvent être coupées d’une section de 4 x 4 mais devraient être bois clair. S’assurer que les surfaces doivent être parallèles entre eux. Un ensemble d’échantillons doit être testé avec le parallèle de la charge appliquée au grain, et l’autre série de spécimens doit être testé avec la perpendiculaire de la charge appliquée au grain. Le nombre de répétitions de test au sein d’un ensemble dépend de la limite de confiance souhaitée. Un seul essai par set se déroulera dans le cadre de ce laboratoire, ainsi que ses objectifs afin de démontrer les techniques et ne pas à développer de grands ensembles de données robustes pour la conception technique.
  2. Mesurer les dimensions transversales (largeur et épaisseur) de chaque échantillon à la po 0,002 plus proche à l’aide d’un pied à coulisse. Mesurer la longueur totale (dans le sens de chargement) pour les spécimens de compression. Comme les spécimens peuvent varier légèrement dans les dimensions sur toute leur longueur, prendre plusieurs mesures et enregistrer la moyenne approximative pour chaque dimension mesurée.
  3. Après avoir configuré la machine d’essai universelle (voir premier manuscrit dans cette série : matériaux constantes), soigneusement centrer le spécimen sur le plateau en compression et abaisser le curseur jusqu'à ce qu’une légère charge est appliquée. Utiliser les commandes pour reculer la charge au plus près de zéro que possible.
  4. Appliquer la charge compressive lentement avec un taux de charge de 20 lb/po² à 50 lb/po2 par seconde.
  5. Le test de compression peut continuer pendant plusieurs minutes avec la charge sans cesse croissante et importante souche vu dans l’échantillon. Continuer l’essai jusqu'à ce qu’une charge maximale est atteinte évidemment.
  6. Enregistrement de la charge maximale de l’écran.
  7. Répétez pour tous les échantillons, tant avec le parallèle de spécimens et perpendiculaire au grain.

Test de tension

  1. Obtenir des spécimens de chien-OS de trois bois (pin, l’épicéa et le chêne par exemple). Un ensemble d’échantillons doit être testé avec le parallèle de la charge appliquée au grain, et l’autre série de spécimens doit être testé avec la perpendiculaire de la charge appliquée au grain. Notez que ce ne sont pas le type de spécimen requis pour les essais ASTM sur bois, car le but est de démontrer le comportement de résistance à la traction et ne pas se doter d’une base de données pour la conception.
  2. Procéder comme d’habitude avec la machine de test de tension habituelle (voir deuxième manuscrit dans cette série : des essais de traction sur l’acier).

Essai de flexion

  1. Obtenir un 2 x 4 environ 24 po long de pin du Sud dense.
  2. Installer un appareil d’essai flexion quatre points sur la machine d’essai universelle (Fig. 1).

Figure 1
Figure 1 : Appareil de flexion quatre points.

  1. Démarrer la machine d’essai et des logiciels associés. Assurez-vous que le logiciel est configuré pour capturer la charge maximale et enregistrent les charges et les valeurs de la crosse.
  2. Installer les 2 x 4 dans l’appareil et abaissez la partie supérieure de l’extracteur jusqu'à ce que l’appareil commence juste à faire contact avec les poutres en bois.
  3. Appliquer la charge lentement (environ 2000 lbs / min) jusqu'à ce que les fractures du faisceau (Fig. 2).

Figure 2
Figure 2 : Rupture en flexion de poutres en bois.

  1. Enregistrement de la charge de rupture.

Le bois est un matériau omniprésent qui a été utilisé dans la construction des premiers temps. Renouvelable et durable, de bois est un matériau de structure largement utilisé en ingénierie pour la construction d’habitations unifamiliales et aussi pour les partitions de cadrage et autres éléments non structurés dans les bâtiments commerciaux et industriels.

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

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

Bois est composé des cellules tubulaires allongées, rondes ou rectangulaires qui sont beaucoup plus longs que larges. Dans le mur il y a plusieurs couches de microfibrilles, qui sont des faisceaux de polymères de cellulose.

Chaînes de microfibrilles sont alignés dans des directions distinctes à l’intérieur des couches de murs. Le mur central avec ses chaînes alignées le long de la dimension la plus longue de la cellule fournit l’essentiel de la force de la cellule, alors que les chaînes de diagonale les murs intérieurs et extérieurs offrent une stabilité. La lignine lie entre elles les polymères de cellulose ainsi que les chaînes de microfibrilles et cellules de murs. L’effet au groupement de plusieurs cellules ensemble résulte en un matériau de construction très robuste.

Bois est un matériau biologique et, ainsi, est très sensible à la dégradation environnementale et attaque de ravageurs. Une grande partie du bois utilisé aujourd'hui est prétraitée avec des produits chimiques pour le protéger de l’environnement et l’attaque des insectes.

Le bois est un matériau hétérogène caractérisé par un grand nombre de défauts tels que, par exemple, les nœuds et les imperfections et se divise. En conséquence, gros coefficients de sécurité ou les rapports de force de conception de résistance à la rupture réelle sont utilisés pour tenir compte des grandes variations dans les propriétés mécaniques des différents morceaux de bois.

En raison de sa composition cellulaire, le bois est un matériau orthotrope, ayant des propriétés différentes le long de la longitudinale et, respectivement, les axes transversaux à l’égard de la direction du grain. En conséquence, le matériau se comporte différemment aux charges parallèles ou perpendiculaires à la fibre de bois. Les propriétés orthotropes du bois peuvent être améliorées par des méthodes différentes.

Stratifiés comme le contreplaqué sont faits de couches avec fibres alignées dans des directions perpendiculaires, résultant en un matériau isotrope. Alternativement, lamellé-collé est constitué de fines bandes de fibres alignées dans la même direction et collées sous pression, sa force dérivant de distribuer des défauts.

La composition cellulaire du bois représente également l’eau libre à l’intérieur des cavités de la cellule et eau liée à la paroi cellulaire. En conséquence, teneur en eau est un paramètre clé dans la détermination de la résistance bois et, en général, la réduction de l’humidité se traduira par une augmentation de force. Volumétriques modifications liées au séchage peuvent entraîner retrait non uniforme et distorsion comme torsion, arc, coupe ou escroc.

Car le bois est un matériau polymère, il est également sujette à ramper ou, sous une charge constante, à la déformation de type visqueux continue. Lorsque la charge est relâchée, la plus grande partie de la déformation est récupéré. En conséquence, bois peut généralement supporter beaucoup contraintes plus élevées si la durée de chargement est courte. Étant donné que tous ces facteurs serait trop complexes pour une utilisation dans la conception de tous les jours, à des fins structurelles, nous utilisons ce qui suit : une analyse statistique de la résistance ultime exempt des valeurs pour de nombreuses espèces, corrections pour l’humidité, et la base de rapports de force sur bois grade pour corriger la force-réduire les effets.

Les propriétés communément données pour la plupart des bois sont publiées sous forme tabulaire pour faciliter la consultation. Ces propriétés sont : contrainte de flexion admissible, parallèle de la tension au grain, cisaillement horizontal, perpendiculaire de compression au grain, compression parallèle au grain et le module d’élasticité. Outre les propriétés spécifiques à l’orientation fondamentales de l’espèce de bois, il devrait être évident que pas tout le bois comporte de la même manière sous charge.

Maintenant que vous comprenez les propriétés physiques du bois et les principes de bois stable, nous allons utiliser ceux-ci pour effectuer quelques tests.

Avant de commencer, choisissez trois variétés de bois à comparer. Pour chaque variété, préparer deux spécimens de cube de compression avec des dimensions de bord nominale de 3,5 pouces. Veiller à ce que les cubes sont exempts de défauts, et leurs surfaces opposées sont parallèles. Marquer un spécimen de chaque variété pour des tests avec un parallèle de la charge appliquée au grain et les autres spécimens d’essai avec une charge appliquée perpendiculairement aux fibres.

Mesurer la hauteur de la direction du chargement de chaque échantillon à l’aide d’un pied à coulisse. Et recommencez la mesure en quelques endroits pour déterminer la moyenne approximative. Lorsque vous avez terminé, utilisez la même procédure pour déterminer les dimensions transversales de chaque spécimen.

Mettre en place l’universel machine d’essai comme indiqué dans les constantes matérielles concernant vidéo de JoVE. Puis, centrer soigneusement un spécimen dans le bon sens sur la plaque de compression. Abaisser le curseur jusqu'à ce qu’une légère charge est appliquée et ensuite utiliser les commandes pour reculer la charge au plus près de zéro que possible.

Maintenant appliquer la force de compression à un taux de charge de 40 lb/po2 par seconde. Le test de compression peut continuer pendant plusieurs minutes lorsque la charge augmente et avec une importante déformation visible dans l’échantillon. Permettre le test continue jusqu'à ce qu’une évidente charge maximale est atteinte.

Enregistrer la charge maximale lorsque le test est terminé et puis répétez la procédure pour les autres spécimens.

Effectuer un autre test de compression et, cette fois, appliquer la force perpendiculaire sur le grain du spécimen. Répétez l’opération pour les autres variétés de bois.

Maintenant préparer quelques spécimens de cardan en utilisant les mêmes trois variétés de bois. Préparer un ensemble d’échantillons avec le grain parallèle à la longueur et une deuxième série du grain du bois perpendiculairement à la longueur.

Effectuer des tests de tension sur tous les six spécimens comme le montre le JoVE vidéo concernant les caractéristiques de contrainte-déformation de l’acier.

Obtenir une hérité environ 24 pouces de long de chaque variété de bois. Installer l’appareil d’essai flexion quatre points sur la machine d’essai universelle. Une fois que l’appareil est prêt, commencez la machine d’essai. Ajuster les paramètres de test pour enregistrer les charges et les valeurs de la crosse, puis capturez la charge maximale. Installer l’échantillon dans l’appareil et déposez la traverse supérieure jusqu'à ce que l’appareil commence juste à faire contact avec les poutres en bois.

Appliquer la charge à un taux de 2 000 livres par minute jusqu'à ce que les faisceau de fractures. Enregistrer la charge de rupture lorsque le test est terminé et puis refaire le test pour les spécimens restants.

Utiliser un tableau pour résumer les résultats de la compression, de tension et essais de flexion. Ensuite, dans chaque colonne, normaliser les données de la valeur maximale et faire une nouvelle table.

Maintenant, jetez un oeil à vos résultats. Comme le montrent régulièrement tous les résultats, le chêne est le bois plus fort, suivie de pin épinette et du Sud. Pour les deux plus importantes propriétés, force et compression flexion parallèle au grain, l’épinette semble être à peu près 87 % environ et le sud pin environ 78 %, aussi solide que le chêne. Étant donné le prix très grand différentiel entre les bois, le pin du Sud comme le moins cher d'entre eux est un choix très efficace.

Test bois est d’une importance primordiale dans l’ingénierie structurelle pour évaluer la capacité des conceptions finales à gérer le stress et la fatigue pendant l’usage courant afin d’assurer la sécurité des produits et le respect des normes internationales.

Dans un essai de flexion quatre points, une poutre simplement appuyée est dotée de deux charges de points égal à son troisième point, résultant en une partie centrale avec moment constant et zéro au cisaillement. Ce test est essentiel pour les systèmes de plancher où les éléments structuraux du bois sont chargés principalement de contraintes de flexion.

Jusqu'à récemment, les structures en bois sont limitaient à trois ou quatre histoires dans un appartement ou un immeuble à bureaux petits. Développements de bois lamellé-Croix ont abouti à l’élaboration de systèmes structurels pouvant atteindre huit ou plusieurs histoires. Tandis que des bâtiments beaucoup plus grands, dans l’ordre de 20 étages, sont toujours en cours d’élaboration.

Vous avez juste regardé Introduction de JoVE aux essais de bois. Vous devez maintenant comprendre les propriétés mécaniques du bois et comment effectuer la résistance à la traction, compression et flexion des tests sur des échantillons de bois.

Merci de regarder !

Results

La compression, de tension et flexion test résultats sont résumés dans le tableau 1. Comme le montrent régulièrement tous les résultats, le chêne est le bois plus fort, suivie de pin épinette et du Sud.

Tableau 1 : Sommaire test bois

Compression parallèle (lb/po2) Compression perpendiculaire (lb/po2) Tension parallèle (lb/po2) Tension perpendiculaire (lb/po2) Flexion (lb/po2)
Chêne 7382 2045 4780 547 8902
Épinette 6342 1534 3451 412 7834
Pin du Sud 5437 1254 2756 327 7423

Tableau 2 : Données normalisées

Compression parallèle (lb/po2) Compression perpendiculaire (lb/po2) Tension parallèle (lb/po2) Tension perpendiculaire (lb/po2) Flexion (lb/po2)
Chêne 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
Épinette 0,86 0,75 0,72 0,75 0,88
Pin du Sud 0,74 0,61 0,58 0,60 0,83

Le tableau 2 présente les mêmes données que dans le tableau 1 mais normalisé à la résistance du matériau chêne. Pour les deux plus importantes propriétés, force et compression flexion parallèle au grain, l’épinette semble être à peu près 87 % environ et le sud pin environ 78 % plus fort que le chêne. Compte tenu de la très grande différence de prix entre bois, il semblerait que le pin du Sud, comme le moins cher d'entre eux, est un choix très efficace.

Applications and Summary

Le bois est un matériau durable et naturel qui présente des propriétés orthotropes. Dans d’autres laboratoires, des matériaux tels que métaux, polymères et le béton ont été testées en traction ou compression avec l’hypothèse que la matière agit isotrope, c'est-à-dire que sa résistance à une charge particulière est le même quel que soit l’orientation de la matériau. Acier, par exemple, possède une multitude de grains orientés au hasard à l’échelle micro, ce qui lui donne des propriétés homogènes et isotropes à l’échelle macro. Cependant, le bois, avec sa direction du grain facilement identifiable, n’agit pas isotrope. Ainsi, un concepteur doit examiner attentivement les charges prévues sur une membre de bois ou de la structure afin d’assurer une efficacité maximale du matériau. En outre, en raison de son origine naturelle, bois a des propriétés mécaniques liées à chaque espèce d’arbre, la teneur en humidité et la taille de l’éprouvette.

Jusqu'à récemment, les structures en bois sont limitaient à trois ou quatre histoires dans un appartement ou un immeuble à bureaux petits. Développements de croix-stratifié bois, panneaux de bois constitué de couches orientées perpendiculairement à l’autre et puis collés, ont abouti à l’élaboration des systèmes structurels pouvant atteindre 8 ou plusieurs histoires. Des bâtiments beaucoup plus grands, dans l’ordre de 20 étages, sont toujours en cours d’élaboration.

Essai de compression

  1. Obtenir nominale 3-1/2" compression cube spécimens de trois bois (pin, l’épicéa et le chêne par exemple). Les cubes peuvent être coupées d’une section de 4 x 4 mais devraient être bois clair. S’assurer que les surfaces doivent être parallèles entre eux. Un ensemble d’échantillons doit être testé avec le parallèle de la charge appliquée au grain, et l’autre série de spécimens doit être testé avec la perpendiculaire de la charge appliquée au grain. Le nombre de répétitions de test au sein d’un ensemble dépend de la limite de confiance souhaitée. Un seul essai par set se déroulera dans le cadre de ce laboratoire, ainsi que ses objectifs afin de démontrer les techniques et ne pas à développer de grands ensembles de données robustes pour la conception technique.
  2. Mesurer les dimensions transversales (largeur et épaisseur) de chaque échantillon à la po 0,002 plus proche à l’aide d’un pied à coulisse. Mesurer la longueur totale (dans le sens de chargement) pour les spécimens de compression. Comme les spécimens peuvent varier légèrement dans les dimensions sur toute leur longueur, prendre plusieurs mesures et enregistrer la moyenne approximative pour chaque dimension mesurée.
  3. Après avoir configuré la machine d’essai universelle (voir premier manuscrit dans cette série : matériaux constantes), soigneusement centrer le spécimen sur le plateau en compression et abaisser le curseur jusqu'à ce qu’une légère charge est appliquée. Utiliser les commandes pour reculer la charge au plus près de zéro que possible.
  4. Appliquer la charge compressive lentement avec un taux de charge de 20 lb/po² à 50 lb/po2 par seconde.
  5. Le test de compression peut continuer pendant plusieurs minutes avec la charge sans cesse croissante et importante souche vu dans l’échantillon. Continuer l’essai jusqu'à ce qu’une charge maximale est atteinte évidemment.
  6. Enregistrement de la charge maximale de l’écran.
  7. Répétez pour tous les échantillons, tant avec le parallèle de spécimens et perpendiculaire au grain.

Test de tension

  1. Obtenir des spécimens de chien-OS de trois bois (pin, l’épicéa et le chêne par exemple). Un ensemble d’échantillons doit être testé avec le parallèle de la charge appliquée au grain, et l’autre série de spécimens doit être testé avec la perpendiculaire de la charge appliquée au grain. Notez que ce ne sont pas le type de spécimen requis pour les essais ASTM sur bois, car le but est de démontrer le comportement de résistance à la traction et ne pas se doter d’une base de données pour la conception.
  2. Procéder comme d’habitude avec la machine de test de tension habituelle (voir deuxième manuscrit dans cette série : des essais de traction sur l’acier).

Essai de flexion

  1. Obtenir un 2 x 4 environ 24 po long de pin du Sud dense.
  2. Installer un appareil d’essai flexion quatre points sur la machine d’essai universelle (Fig. 1).

Figure 1
Figure 1 : Appareil de flexion quatre points.

  1. Démarrer la machine d’essai et des logiciels associés. Assurez-vous que le logiciel est configuré pour capturer la charge maximale et enregistrent les charges et les valeurs de la crosse.
  2. Installer les 2 x 4 dans l’appareil et abaissez la partie supérieure de l’extracteur jusqu'à ce que l’appareil commence juste à faire contact avec les poutres en bois.
  3. Appliquer la charge lentement (environ 2000 lbs / min) jusqu'à ce que les fractures du faisceau (Fig. 2).

Figure 2
Figure 2 : Rupture en flexion de poutres en bois.

  1. Enregistrement de la charge de rupture.

Le bois est un matériau omniprésent qui a été utilisé dans la construction des premiers temps. Renouvelable et durable, de bois est un matériau de structure largement utilisé en ingénierie pour la construction d’habitations unifamiliales et aussi pour les partitions de cadrage et autres éléments non structurés dans les bâtiments commerciaux et industriels.

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

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

Bois est composé des cellules tubulaires allongées, rondes ou rectangulaires qui sont beaucoup plus longs que larges. Dans le mur il y a plusieurs couches de microfibrilles, qui sont des faisceaux de polymères de cellulose.

Chaînes de microfibrilles sont alignés dans des directions distinctes à l’intérieur des couches de murs. Le mur central avec ses chaînes alignées le long de la dimension la plus longue de la cellule fournit l’essentiel de la force de la cellule, alors que les chaînes de diagonale les murs intérieurs et extérieurs offrent une stabilité. La lignine lie entre elles les polymères de cellulose ainsi que les chaînes de microfibrilles et cellules de murs. L’effet au groupement de plusieurs cellules ensemble résulte en un matériau de construction très robuste.

Bois est un matériau biologique et, ainsi, est très sensible à la dégradation environnementale et attaque de ravageurs. Une grande partie du bois utilisé aujourd'hui est prétraitée avec des produits chimiques pour le protéger de l’environnement et l’attaque des insectes.

Le bois est un matériau hétérogène caractérisé par un grand nombre de défauts tels que, par exemple, les nœuds et les imperfections et se divise. En conséquence, gros coefficients de sécurité ou les rapports de force de conception de résistance à la rupture réelle sont utilisés pour tenir compte des grandes variations dans les propriétés mécaniques des différents morceaux de bois.

En raison de sa composition cellulaire, le bois est un matériau orthotrope, ayant des propriétés différentes le long de la longitudinale et, respectivement, les axes transversaux à l’égard de la direction du grain. En conséquence, le matériau se comporte différemment aux charges parallèles ou perpendiculaires à la fibre de bois. Les propriétés orthotropes du bois peuvent être améliorées par des méthodes différentes.

Stratifiés comme le contreplaqué sont faits de couches avec fibres alignées dans des directions perpendiculaires, résultant en un matériau isotrope. Alternativement, lamellé-collé est constitué de fines bandes de fibres alignées dans la même direction et collées sous pression, sa force dérivant de distribuer des défauts.

La composition cellulaire du bois représente également l’eau libre à l’intérieur des cavités de la cellule et eau liée à la paroi cellulaire. En conséquence, teneur en eau est un paramètre clé dans la détermination de la résistance bois et, en général, la réduction de l’humidité se traduira par une augmentation de force. Volumétriques modifications liées au séchage peuvent entraîner retrait non uniforme et distorsion comme torsion, arc, coupe ou escroc.

Car le bois est un matériau polymère, il est également sujette à ramper ou, sous une charge constante, à la déformation de type visqueux continue. Lorsque la charge est relâchée, la plus grande partie de la déformation est récupéré. En conséquence, bois peut généralement supporter beaucoup contraintes plus élevées si la durée de chargement est courte. Étant donné que tous ces facteurs serait trop complexes pour une utilisation dans la conception de tous les jours, à des fins structurelles, nous utilisons ce qui suit : une analyse statistique de la résistance ultime exempt des valeurs pour de nombreuses espèces, corrections pour l’humidité, et la base de rapports de force sur bois grade pour corriger la force-réduire les effets.

Les propriétés communément données pour la plupart des bois sont publiées sous forme tabulaire pour faciliter la consultation. Ces propriétés sont : contrainte de flexion admissible, parallèle de la tension au grain, cisaillement horizontal, perpendiculaire de compression au grain, compression parallèle au grain et le module d’élasticité. Outre les propriétés spécifiques à l’orientation fondamentales de l’espèce de bois, il devrait être évident que pas tout le bois comporte de la même manière sous charge.

Maintenant que vous comprenez les propriétés physiques du bois et les principes de bois stable, nous allons utiliser ceux-ci pour effectuer quelques tests.

Avant de commencer, choisissez trois variétés de bois à comparer. Pour chaque variété, préparer deux spécimens de cube de compression avec des dimensions de bord nominale de 3,5 pouces. Veiller à ce que les cubes sont exempts de défauts, et leurs surfaces opposées sont parallèles. Marquer un spécimen de chaque variété pour des tests avec un parallèle de la charge appliquée au grain et les autres spécimens d’essai avec une charge appliquée perpendiculairement aux fibres.

Mesurer la hauteur de la direction du chargement de chaque échantillon à l’aide d’un pied à coulisse. Et recommencez la mesure en quelques endroits pour déterminer la moyenne approximative. Lorsque vous avez terminé, utilisez la même procédure pour déterminer les dimensions transversales de chaque spécimen.

Mettre en place l’universel machine d’essai comme indiqué dans les constantes matérielles concernant vidéo de JoVE. Puis, centrer soigneusement un spécimen dans le bon sens sur la plaque de compression. Abaisser le curseur jusqu'à ce qu’une légère charge est appliquée et ensuite utiliser les commandes pour reculer la charge au plus près de zéro que possible.

Maintenant appliquer la force de compression à un taux de charge de 40 lb/po2 par seconde. Le test de compression peut continuer pendant plusieurs minutes lorsque la charge augmente et avec une importante déformation visible dans l’échantillon. Permettre le test continue jusqu'à ce qu’une évidente charge maximale est atteinte.

Enregistrer la charge maximale lorsque le test est terminé et puis répétez la procédure pour les autres spécimens.

Effectuer un autre test de compression et, cette fois, appliquer la force perpendiculaire sur le grain du spécimen. Répétez l’opération pour les autres variétés de bois.

Maintenant préparer quelques spécimens de cardan en utilisant les mêmes trois variétés de bois. Préparer un ensemble d’échantillons avec le grain parallèle à la longueur et une deuxième série du grain du bois perpendiculairement à la longueur.

Effectuer des tests de tension sur tous les six spécimens comme le montre le JoVE vidéo concernant les caractéristiques de contrainte-déformation de l’acier.

Obtenir une hérité environ 24 pouces de long de chaque variété de bois. Installer l’appareil d’essai flexion quatre points sur la machine d’essai universelle. Une fois que l’appareil est prêt, commencez la machine d’essai. Ajuster les paramètres de test pour enregistrer les charges et les valeurs de la crosse, puis capturez la charge maximale. Installer l’échantillon dans l’appareil et déposez la traverse supérieure jusqu'à ce que l’appareil commence juste à faire contact avec les poutres en bois.

Appliquer la charge à un taux de 2 000 livres par minute jusqu'à ce que les faisceau de fractures. Enregistrer la charge de rupture lorsque le test est terminé et puis refaire le test pour les spécimens restants.

Utiliser un tableau pour résumer les résultats de la compression, de tension et essais de flexion. Ensuite, dans chaque colonne, normaliser les données de la valeur maximale et faire une nouvelle table.

Maintenant, jetez un oeil à vos résultats. Comme le montrent régulièrement tous les résultats, le chêne est le bois plus fort, suivie de pin épinette et du Sud. Pour les deux plus importantes propriétés, force et compression flexion parallèle au grain, l’épinette semble être à peu près 87 % environ et le sud pin environ 78 %, aussi solide que le chêne. Étant donné le prix très grand différentiel entre les bois, le pin du Sud comme le moins cher d'entre eux est un choix très efficace.

Test bois est d’une importance primordiale dans l’ingénierie structurelle pour évaluer la capacité des conceptions finales à gérer le stress et la fatigue pendant l’usage courant afin d’assurer la sécurité des produits et le respect des normes internationales.

Dans un essai de flexion quatre points, une poutre simplement appuyée est dotée de deux charges de points égal à son troisième point, résultant en une partie centrale avec moment constant et zéro au cisaillement. Ce test est essentiel pour les systèmes de plancher où les éléments structuraux du bois sont chargés principalement de contraintes de flexion.

Jusqu'à récemment, les structures en bois sont limitaient à trois ou quatre histoires dans un appartement ou un immeuble à bureaux petits. Développements de bois lamellé-Croix ont abouti à l’élaboration de systèmes structurels pouvant atteindre huit ou plusieurs histoires. Tandis que des bâtiments beaucoup plus grands, dans l’ordre de 20 étages, sont toujours en cours d’élaboration.

Vous avez juste regardé Introduction de JoVE aux essais de bois. Vous devez maintenant comprendre les propriétés mécaniques du bois et comment effectuer la résistance à la traction, compression et flexion des tests sur des échantillons de bois.

Merci de regarder !

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