Academic literature on the topic 'Bois – Propriétés mécaniques – Modèles mathématiques'

Le Deep Soil Mixing est une technique d’amélioration de sols dont la part de marché devient non négligeable. Les progrès technologiques dans le domaine permettent aujourd’hui d’envisager la réalisation d’ouvrages permanents. L’utilisation structurelle du matériau sol-ciment n’est cependant pas encore réglementée comme le béton avec l’Eurocode 2, ni validée par un nombre suffisant d’études de durabilité. Ces problématiques ont donc fait l’objet d’un travail de recherche au sein du laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil (L2MGC) avec le soutien de la Fédération Nationale des Travaux Publics (FNTP) et de l’entreprise « Spie Fondations ». Cet article présente de manière synthétique le résultat des travaux expérimentaux qui ont été conduits afin de mieux comprendre l’influence des paramètres de formulation et des conditions d’exposition sur le comportement du matériau. L’étude met tout d’abord en évidence le lien entre la conductivité hydraulique du matériau et le diamètre caractéristique des pores. Des relations mathématiques sont ensuite proposées afin d’estimer les propriétés mécaniques du matériau. Puis, les propriétés résiduelles du matériau sont analysées en situation de vieillissement accéléré et à haute température.

L'objectif est d'étudier l'influence de la température sur le comportement viscoélastique du bois humide perpendiculairement aux fibres. Deux axes d'étude sont présentés : étude expérimentale et modélisation rhéologique. Une essence guyanaise dense est choisie comme matériau d'étude : Bocoa prouacensis Aubl (Boco).

Ce travail est une étude exploratoire sur la possibilité de réaliser un composite bois polymère ou WPC, rencontrant certaines exigences, notamment la post-thermoformabilité. Nous avons élaboré un panneau composite fibre de bois/thermodurcissable/thermoplastique dans la logique d'un " éco-matériau ". Ce matériau innovant est destiné à un usage structurel ou décoratif. Il est fabriqué selon un procédé de pressage à chaud d'un matelas fibreux. La problématique de l'incompatibilité d'interface entre le bois et le thermoplastique, récurrente pour bon nombre de WPC, a été résolue grâce au développement d'une technique originale d'amélioration de l'adhésion par enrobage. Les améliorations ont permis d'obtenir des caractéristiques physico-mécaniques semblables aux panneaux de densité moyenne. La composante thermoplastique nous a permis d'octroyer une aptitude de post-thermoformabilité à ce matériau. L'analyse détaillée de la composition des panneaux WPC, de leurs propriétés à différentes températures, ainsi qu'un travail de modélisation expliquent, en partie, le comportement complexe de ce nouveau WPC
This project deals with a new type of Wood Polymer Composite (WPC) able to be post moulded. Based on wood industry processing we developed different wood/adhesive/thermoplastic fibreboards. This exploratory work leads to an innovative WPC fibreboard dedicated to structural or decorative use. In order to reach sufficient mechanical properties we managed to improve the cohesion properties. In fact, weak interfacial adhesion is a recurrent problem of all Wood/Thermoplastic products. An original coating process of MAPP onto PP fibres gave great interfacial adhesion enhancement and mechanical properties similar to MDF panels. The post thermoforming ability was measured with an original thermoforming test. These investigations, through characterisation and modelling, allowed us to determine the role of different factors and their interactions. Our post mouldable composite WPC fibreboards are porous and made-up of a fibre network which showed a complex rheological behaviour. Morphology, concentration, distribution of each components and surface interactions between them explain this behaviour

Le travail propose concerne une approche numerique, par la methode des elements finis, pour l'etude de la fissuration a long terme des materiaux viscoelastiques lineaires a symetrie orthotrope. Une application experimentale est effectuee sur le pin du nord. Dans une premiere partie, nous rappelons les equations caracterisant le comportement viscoelastique lineaire, generalise au comportement orthotrope isotrope transverse. Les approches fonctionnelle et thermodynamique sont presentees. Ensuite, l'etude de la fissuration est apprehendee par la mecanique de la rupture. L'accent est porte sur deux approches. La premiere, basee sur le modele de nielsen, suppose que le materiau est viscoelastique en pointe de fissure, d'ailleurs, en generalisant l'approche de brincker au cas ortohtrope, un nouveau concept de facteur d'intensite d'ouveture de fissure est introduit afin de definir l'ouverture de fissure au voisinage de la pointe de fissure. En considerant la pointe de fissure degradee, l'approche de schapery est egalement presentee. Dans une seconde partie, apres avoir rappele les differentes propositions, mettant en uvre la methode des elements finis, nous presentons une modelisation incrementale permettant de traduire, en fonction du temps, les champs mecaniques viscoelastiques. Une adaptation est proposee pour traiter le comportement des materiaux orthotropes. Le couplage de cette modelisation avec la theorie de la mecanique de la rupture est effectue. En utilisant un modele de nielsen, nous proposons une nouvelle methode incrementale permettant de calculer l'etat mecanique, au voisinage de la pointe de fissure, ainsi que de definir la zone d'elaboration dans laquelle la fissure va pouvoir evoluer. Une generalisation des integrales invariantes est proposee afin de definir un algorithme de propagation de fissure, dans le domaine temporel, pouvant etre implante dans le code aux elements finis castem 2000. Une derniere partie presente une strategie experimentale permettant d'apprecier la propagation de fissure dans le materiau bois, et plus particulierement, pour le pin du nord. Afin d'isoler les effets viscoelastiques sur la propagation, nous presentons la conception d'une eprouvette presentant une stabilite de fissuration lors d'un essai de fluage. Les resultats experimentaux et numeriques sont enfin compares.

Une nouvelle approche et un nouveau modèle rhéologique pour la modélisation du comportement hygro–thermo–mécanique du bois lors du processus de séchage sont proposés. Cette approche est basée sur la résolution des équations d’équilibre d’une poutre cantilever d’Euler–Bernoulli, sans faire aucune hypothèse sur le profil des contraintes dans l’épaisseur de la poutre. Un code numérique a été développé afin de prédire l’évolution des contraintes et des déformations d’une pièce de bois en flexion porte-à-faux à humidité constante ou variable. Ce code fut validé à partir d’un modèle rhéologique classique (modèle de Burger), où une solution analytique existe à humidité constante. Un nouveau modèle rhéologique global fut alors développé où sont pris en considération le retrait libre, la relation contrainte déformation instantanée (élastique), le fluage induit par le temps (fluage viscoélastique) et le fluage induit par la variation d’humidité (fluage mécanosorptif). La loi constitutive du modèle rhéologique est basée sur un comportement élasto-viscoplastique qui prend en considération l’apparition des gradients d’humidité dans le bois, l’effet du niveau de chargement ou de contrainte en introduisant un seuil de déformation plastique (non recouvrable), et aussi l’effet combiné de la charge et de la variation d’humidité en incluant le comportement mécanosorptif du bois au cours du séchage. Afin d’identifier les paramètres du modèle rhéologique, un dispositif expérimental de flexion en porte-à-faux a été mis en place. Des essais de fluage à 60°C à différents niveaux de charge, à différentes teneurs en humidité constantes, et au cours du séchage ont été réalisés sur le bois d’épinette blanche (Picea glauca (Moench.) Voss.) en direction radiale. Les propriétés élastique, viscoélastique, viscoplastique et mécanosorptive de l’espèce utilisée obtenues expérimentalement ont été reproduites par simulation. La correspondance satisfaisante obtenue entre les résultats de simulation et les résultats expérimentaux confirme la validité de l'approche et du modèle rhéologique proposés pour les conditions expérimentales considérées dans ce travail.
A new approach and rheological model for modeling the hygro-thermo-mechanical behaviour of wood during drying process are proposed. This approach is based on the resolution of equilibrium equations of Euler-Bernoulli cantilever beam without any assumption on stress distribution through the thickness. A numerical code was developed to predict stress and deformation evolution of wood cantilever at constant and variable moisture conditions. This code was validated using a classical rheological model (Burger model), where analytical solution exists at constant moisture content. A new global rheological model was therefore developed where free shrinkage, instantaneous stress-strain relationships, time induced creep (viscoelastic creep) and mechano-sorptive creep are taken into account. The constitutive law is based on an elasto-viscoplastic model that takes into account the moisture content gradient in wood, the effect of external load by introducing a viscoplastic deformation threshold (permanent strain), and also the combined effect of load and moisture content variation by adding the mechano-sorptive behavior of wood during drying. For the rheological model parameters identification, a cantilever experimental setup was used. Creep tests at 60°C, at different load levels, at different constant moisture contents, and during drying were carried out on white spruce wood (Picea glauca (Moench.) Voss.) in the radial direction. Thus, the elastic, viscoelastic, viscoplastic and mechano-sorptive properties obtained experimentally were reproduced by simulation. The good agreement between simulation and experimental results confirms the validity of the proposed numerical approach and the developed rheological model for the experimental conditions considered in this work.

Les propriétés mécaniques du bois dans les structures dépendent fortement de l’état hydrique du matériau. Il en est d’ailleurs montré un couplage mécanosorptif fort. Le caractère aléatoire de l’environnement climatique impose donc une meilleure modélisation du comportement hygroscopique du bois pour pouvoir estimer les variations de l’humidité interne en intégrant les processus de transfert de chaleur et de masse. Si les effets de l’humidité sur le comportement a largement été étudié, ce travail permet d’aborder les effets de l’état mécanique sur les lois de transfert, aussi bien au niveau des conditions limites d’échange qu’au niveau des propriétés de diffusion. Dans ce contexte, nous proposons une approche thermodynamique et expérimentale permettant d’introduire, dans les codes aux éléments finis, un algorithme de transfert couplé plus réaliste
Mechanical properties of timber constructions depend strongly on moisture content state. In this context, it is shown a mecanosorptive coupling. This climatic environment aspect imposes a hygroscopic behavior modeling in order to estimate moisture content variations by integrating the heat and mass transfer processes. If the effect of moisture content on the mechanical behavior has been studied in the literature, this work enables us to precise effects of mechanical state on the transfer laws by taking into account boundary conditions and diffusion properties. In this context, we propose a thermodynamic and experimental approaches which allow to introduce a realistic coupled transfer algorithm in a finite element software

Cette étude a pour objet de proposer une nouvelle approche des problèmes d'identification du comportement élastique et visco-élastique du matériau bois. L'identification des neuf paramètres élastiques du matériau est possible grâce à six essais statiquement déterminés. Nous avons pu vérifier les hypothèses de ces essais en les modélisant par la méthode des éléments finis. Nous proposons également une nouvelle méthode d'identification qui, par la résolution numérique d'un problème inverse, permet d'interpréter des essais non statiquement ou cinématiquement déterminés. On peut ainsi diviser par deux le nombre d'essais nécessaires à la détermination de l'ensemble des constantes élastiques du bois. Dans le cadre de la visco-élasticité, nous avons développé une méthode générale d'identification qui permet d'analyser des résultats expérimentaux de fluage. Cette méthode a d'abord été utilisée pour un modèle à fluage parabolique obéissant à une loi d'équivalence temps-température du type loi d'Arrhénius. Nous avons ensuite étudié un modèle multi-parabolique multi-transitions capable d'expliquer le comportement visco-élastique du bois à partir de chacun de ses polymères constitutifs.

Les arbres sont capables de modifier l'orientation de leurs branches et de leur tronc par la production asymétrique de bois précontraint. Il existe des modèles biomécaniques développés pour simuler ces mouvements, mais ils ne simulent pas correctement le redressement (ou mouvement gravitropique) de jeunes arbres à l'échelle de temps intra-annuelle. La méconnaissance de la cinétique de maturation et des propriétés mécaniques du bois vert est responsable de ces résultats. Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour objectifs de caractériser le comportement mécanique du bois vert au cours de sa maturation, et de développer un modèle biomécanique qui puisse simuler quantitativement le gravitropisme de jeunes peupliers. Des comportements mécaniques non-linéaires sont révélés par des essais de traction cycliques sur de fines lamelles de bois vert. Ils sont quantifiés par une grandeur mécanique liant rigidité et déformation. Des essais de flexion réalisés sur des planchettes renseignent quant à eux sur l'évolution intra-cerne du module élastique. Ces campagnes d'essais montrent une augmentation puis une diminution du module au cours de la maturation des cellules. Des essais de fluage indiquent que le comportement viscoélastique du bois vert se modélise par un modèle de Burgers. Les propriétés viscoélastiques du bois vert sont ainsi déterminées. Les propriétés mécaniques obtenues sont utilisées dans un modèle biomécanique développé pour modéliser l'évolution spatio-temporelle des propriétés. Le gravitropisme de jeunes peupliers est alors modélisé grâce à la prise en compte du comportement viscoélastique du bois vert, de la maturation continue des cellules, et de la variation des déformations de maturation au cours de la saison de végétation.

Cette thèse s’effectue au sein de l’université de Bordeaux. Ce projet concerne la construction en bois et en particulier la compréhension des phénomènes à l’origine des fissures dans les structures bois. L’un des objectifs étant de concevoir des méthodes efficaces de renforcement local pour les éléments de structure. Pour cela, l’étude se décompose en plusieurs étapes, la compréhension des phénomènes mis en jeu dans la création des fissures sur des bois de construction. Ce travail s’orientera sur la modélisation de fissure en mode mixte, la recherche de solution de renforcement avec compréhension fine de l’impact de types de renforts sur la propagation de la fissure. Cette étude sera accompagnée d’une campagne d’essais, afin de vérifier l’efficacité des renforcements choisis et d’identifier l’impact de l’effet d’échelle sur les modèle de prédiction. Des essais de grandes dimensions seront donc réalisés pour mieux appréhender les effets de groupes et les effets d’échelle sur du matériau d’emploi. On vise ensuite à définir des outils prédictifs de la résistance des systèmes renforcés et de moyens de contrôles pour les Plan d’Assurance Qualité
The purpose of reinforcing assemblies and structural elements inwood is to overcome the resistance limits of the material, by transferring greaterefforts in areas which can lead to premature cracking in structures. The reinforcementsused can be made of steel, composite materials or wood. Their hook can bemechanical (screwed bodies) or by adhesion (structural bonding like glued-in rodsfor example). In both cases, the transfer of solicitations remains poorly known, andthe effect of the beginning and the deflection of crack are not well apprehended. Inengineering techniques, the wood resistance in the reinforced area is neglected, whichis in line with the precautionary principle. Currently, the scientific investigations areinterested in the resistance of those kind of techniques without considering the interactionsbetween the quasi-brittle behavior of the wood and the reinforcementswhich govern the gain in mechanical performance. However, these solutions can leadto a failure caused by the progressive splitting of the wood and the anchor loss ofthe reinforcement. So it seems accurate to propose predictions of the short-termstrength for splitting of reinforced and unreinforced beams, which can be used tofurther exploration of the long-term failure mechanism. That is why, in this study, aglobal prediction model of the ultimate strength of structural components subjectedto splitting, reinforced and unreinforced ones, was developed. It considers the quasibrittlebehavior of the wood and crack propagation in mixed mode, using a mixinglaw established on the R-curves. The relevance of this modeling was then comparedto the current dimensioning methods of the Eurocodes 5, for notched beams, withexperimental campaigns conducted at different scales

Cette étude se concentre sur les « Green Wood Plastic Composites » (GWPC) élaborés avec des matrices de type polyesters aliphatiques biodégradables tels que le poly(-caprolactone) PCL, le poly(acide lactique) PLA et le poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalérate) PHBHV renforcées par des fibres de Miscanthus giganteus. Afin d’améliorer l‘adhésion entre les fibres végétales et les matrices thermoplastiques, une modification chimique des fibres a été mise au point. Il s’agit de greffer des chaînes de polyesters, de même nature que la matrice, à la surface des fibres végétales, en utilisant la réactivité des doubles liaisons de la lignine par des réactions de type thiol-ène. Comme ces doubles liaisons sont peu nombreuses un agent polyfonctionnel, un polythiol, a été utilisé. Ce type de greffage a permis d’obtenir une réelle augmentation des propriétés mécaniques des composites à base de PCL et de PHBHV. Différentes techniques de mise en œuvre, extrusion, mélangeage, compression et extrusion réactive ont été utilisés afin d’étudier leur influence sur les comportements mécaniques des biocomposites. L'effet de la teneur en fibres, de leur taille et de leur disposition dans la matrice ont été étudiés. Différents modèles analytiques et numériques ont été mis en œuvre pour déterminer le comportement mécanique effectif des biocomposites. Cette étude suggère que le modèle de Mori-Tanaka avec des fibres sous forme d'inclusions cylindriques constitue une bonne approximation du comportement mécanique réel des matériaux. L'utilisation de modèles à éléments finis (FE) a révélé que la transmission de la contrainte appliquée est plus efficace dans le cas de composites à fibres courtes et que les modèles 3D sont plus réalistes que les 2D correspondants. Les modèles mathématiques mis en œuvre et concernant le processus d'extrusion réactive, responsable du greffage du polymère mais également de sa réticulation semblent pouvoir estimer la fraction de la matrice réticulée. Les composites à base de PLA présentent un module d’Young comparable aux composites réalisés avec le poly(propylène) et une bonne résistance dans des conditions de vieillissement peu agressives. L'interdisciplinarité de ce travail basé sur l'association systématique des modèles numériques à la réalisation des biocomposites est une approche complète pour cerner les propriétés de ces matériaux
This study focuses on the Green Wood Plastic Composites (GWPC), manufactured using biodegradable aliphatic polyesters as matrixes, like poly(ε-caprolactone) (PCL), poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBHV) and poly(lactic acid) (PLA) reinforced with Miscanthus giganteus fibers. In order to improve the adhesion between the thermoplastic matrixes and the vegetal fibers, a chemical treatment of these last was developed. The grafting of polyesters chains of the same nature as the matrix, was carried out on the surface of vegetal fibers, using the reactivity of unsaturated bonds present in the lignin structure through the use of the thiol-ene reaction. As these double bonds are few a polyfunctional agent, a polythiol, was used. This type of grafting allowed to obtain a real increase in the mechanical properties of biocomposites realized with PCL and PHBHV. Various manufacturing techniques such as extrusion, mixing, injection, compression molding and reactive extrusion were used to study their influence on the mechanical behavior of biocomposites. The effect of fibers content, sizes and arrangement in the matrix were also studied. Different analytical and numerical models were implemented to determine the effective mechanical behavior of the biocomposites. This study suggests that a Mori-Tanaka model with fibers as cylindrical inclusions constitutes a good approximation of the real mechanical behavior of the biocomposites. The use of finite element (FE) models revealed that the transmission of the applied stress is more efficient in the case of composites with short fibers and that 3D FE models are more realistic than their corresponding 2D. Mathematical models here implemented concerning the reactive extrusion process, this last being responsible not only of the polymer grafting but also of the polymer cross-linking, seem to be able to estimate the fraction of cross-linked matrix. PLA-based composites exhibit a Young Modulus comparable to their equivalent realized with poly(propylene), showing also a good resistance to mild aging conditions. The interdisciplinarity of this work based on the systematic association of numerical models to the practical realization of the biocomposites constitutes a complete approach to determine the properties of these materials

Les tiges des arbres sont le siège de contraintes résiduelles dûes au cumul des couches de bois et à la maturation cellulaire. Quand on les tronçonne en billons la redistribution des contraintes qui en résulte favorise l'apparition et la propagation de fentes rayonnant du coeur vers la périphérie. Sur la base de données expérimentales réalisée sur des d'eucalyptus marocains et congolais, une modélisation par éléments finis permet de calculer l'énergie élastique restituée lors de la propagation de ce type de fissure. Les résultats obtenus ont montré que l'ordre de grandeur du taux de restitution d'énergie par rapport à la surface fissurée est en bonne adéquation avec les valeurs de la ténacité mesurées expérimentalement. Les simulations ont permis de confirmer en les expliquant les observations expérimentales : effet du tronçonnage sur l'état mécanique limité à trois fois le rayon ; présence quasi systématique d'une fente à coeur et propagation rapide de fentes débouchantes une fois la périphérie atteinte ; préférence pour les modes de fissuration à trois fentes en étoile dont le prolongement évite la zone du bois de tension. Enfin la simulation de fentes de profondeurs inégales a permis d'interprêter le concept de fente principale et secondaire suggéré par les observations des facies internes des fentes à coeur par une méthode colorimétrique.