Etude expérimentale et numérique du comportement hygromécanique d’un panneau de bois : application à la conservation des tableaux peints sur bois du patrimoine

Hygromechanical study of painted panels

• Auteur / Autrice : Cécilia Gauvin
• Direction : Joseph Gril, Delphine Jullien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et génie civil
• Date : Soutenance le 20/11/2015
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joseph Gril, Delphine Jullien, Parviz Navi, Frédéric Dubois, Luca Uzielli, Jean-Christophe Dupré, Bertrand Marcon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Parviz Navi, Frédéric Dubois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Humidité du bois

Hygrométrie

Cisaillement (mécanique)

Polymères -- Rhéologie

Viscoélasticité

Peinture sur panneau

Mots clés libres

Hygromécanique

Panneau peint

Bois

Conservation

Patrimoine

Hygromechanics

Painted panel

Wood

Conservation

Historical heritage

Résumé

De nombreux objets en bois ancien posent des difficultés de conservation et de restauration. En plus des problèmes liés au vieillissement naturel du bois, la conservation et la restauration des panneaux peints sont des exercices délicats de mise en œuvre, à cause des phénomènes complexes d’échanges hydriques asymétriques entre la couche picturale et le revers du tableau. Les restaurateurs du patrimoine ont cherché à éliminer la courbure du panneau par humidification et pression progressive afin de renforcer et aplanir le panneau ; ou simplement, en termes d’acte de restauration, par amincissement par l'arrière du support du tableau puis collage sur un support rigide. Entre manipulations malheureuses et stockage dans des conditions non contrôlées, cela a eu pour conséquence l’écaillage et la perte partielle de la couche picturale de certains d’entre eux, sans oublier l’initiation de fissures. Ainsi, les objets du patrimoine que nous manipulons sont des témoins précieux à la fois d'un art, d'une époque et d'un comportement à long terme du matériau considéré. Nous nous sommes intéressés, dans un premier temps, à la compréhension plus fondamentale du vieillissement du bois. Pour cela nous avons traité hygro-thermiquement à 120degree C à différentes humidités et à 50degree par cycles d'humidité des échantillons de peuplier (Populus alba). Nous avons pu mettre en avant les processus physico-chimiques et également le phénomène de réversibilité des traitements hygro-thermiques. Puis, nous avons étudié le comportement d'une partie d'un panneau peint, afin d'étudier relation bois - couche préparatoire. Nos résultats montrent que les couches préparatoires ont un comportement hygromécanique bien différent les unes des autres, et qu'il est important de connaître la composition fine de ces couches avant de pouvoir analyser le comportement global du panneau peint. Enfin, nos travaux ont concerné l’étude expérimentale, basée sur des mesures de masse en continu et des mesures de champ de déformation par stéréo-corrélation, et la simulation du comportement hygromécanique d’un panneau de bois soumis à des fluctuations hygrothermiques. Nous avons pu découpler d'un point de vue expérimental les différents composants intervenant dans l'hygromécanique du panneau peint, et nous avons œuvré pour la mise en place d'un outil de simulation numérique pouvant rendre compte des phénomènes observés. Ce travail de thèse présente donc d’un point de vue fondamental le comportement d’un panneau de bois soumis à des variations d’humidité, en lien avec les acteurs de la préservation du patrimoine (conservateurs, restaurateurs, scientifiques spécialisés dans ce domaine...) dans le but de développer des outils d’aide à la décision.

Conservation or restoration of many ancient wooden artefacts such as panel paintings is made difficult. In addition by issues linked to wood ageing, but also by the delicate situations originaling from asymmetrical moisture transfer phenomena through surface layer and wooden substrate. Conservators have tried to eradicate panels curvatures by moistening and flattening by pressure ; or simply in term of restoration act, by panel thinning followed by gluing on a rigid support. Between fortunate handling and absence of environmental control, some paint layers flaked material was partially lost, cracks opened. Indeed, the artefacts from cultural heritage that we handle are the witness of ancient times and practices, and may provide keys to the understanding of long-term behaviour of wooden structures. First, we have focused on the basic understanding of wood aging, we have made hygro-thermal treatment at 120degree C for several humidities and at 50degree C by hydric cycles on poplar samples (Populus alba). We underlined physical and chemical process and the reversible effect of heat-treated wood. Then we studied the behaviour of a painted panel part, and the relation between wood and preparatory layer. Our work shows clearly that the hygromechanical behaviour of the preparatory layer is very dependent on its composition, and that it is important to know precisely the layer composition before being able to analyse the global behavior of a panel painting. Finally, our work concerned experimental and numerical study of hygromechanical behaviour of a wooden panel, based on continuous mass weighting and measurement of strain by stereo-correlation during hygrothermal fluctuations of the environment. We decoupled experimentally the different components occurring in hygromechanics of panel painting, and we worked to set up a numerical tool allowing the simulation of observed phenomena. This thesis presents, on a fundamental point of view, the wooden panel behavior under climatic fluctuations, linking with cultural conservator actors (such as curators, conservators, scientists from cultural heritage dots) in order to develop tools to decision help.