Comportement mécanique des éléments de structure en bois de sapin pectiné soumis à un environnement variable

Mechanical behaviour of silver fir's timber structural elements in variable environnement

• Auteur / Autrice : Arthur Bontemps
• Direction : Joseph Gril, Rostand Moutou Pitti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil
• Date : Soutenance le 16/05/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Henry Biwole
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joseph Gril, Rostand Moutou Pitti, Sandrine Bardet, Werner Seim, Myriam Chaplain, Frédéric Dubois
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sandrine Bardet, Werner Seim

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluage

Propriétés mécaniques

Bois

Sapin pectiné

Mots clés libres

Sapin pectiné

Fluage

Diffusion

Rupture

Poutres entaillées

Silver fir

Creep

Diffusion

Fracture mechanics

Notched beams

Résumé

Le sapin pectiné (Abies alba) est une essence emblématique de la région Auvergne Rhône-Alpes (AuRA) mais dont l'exploitation fait face à des problèmes de séchage. Une enquête de terrain auprès de professionnels et d'experts de la filière bois de la région met en évidence les excellentes performances du sapin en construction mais associe les difficultés de séchage au phénomène des poches d'eau piégées dans le duramen. Ce mémoire de thèse présente une étude du comportement mécanique long-terme des éléments de structures construites en bois de sapin vert ou partiellement séché. La maîtrise de ce sujet peut appuyer des solutions constructives s'affranchissant d'un séchage complet.Ce travail de recherche porte essentiellement sur le développement et l'analyse d'une campagne expérimentale de poutres de sapin pectiné en dimensions d'emploi, à l'état vert ou partiellement séché. Cette campagne consiste en des essais de flexion et de fluage sur des poutres entaillées et des essais de diffusion sur petites éprouvettes. Le fluage et la mécanique de la rupture associés aux variations thermo-hydriques sont ainsi étudiés. Les essais de fluage ont été réalisés en environnement extérieur semi-abrité et une méthode de suivi de marqueur à été développée pour enrichir les mesures. La précision et les capacités qu'offrent cette méthode sont détaillées. Les résultats des essais de flexion montrent l'incapacité des propriétés mécaniques initiales à prévoir la résistance d'une poutre entaillée à l'échelle 1, celle-ci étant conditionnée par la propagation de fissures qui dépend pour beaucoup de la position des noeuds et de la pente de fil. Les résultats des essais de fluage mettent en évidence l'augmentation de la flèche centrale pour des bois initialement vert, mais montrent aussi l'importance de l'exposition au soleil ou de la propagation de fissures, de nouveau dépendante de la position des noeuds. Un modèle analytique de calcul de longueur de fissures basé sur des considérations géométriques est détaillé et validé sur les propagations de fissure respectant les conditions qu'il impose. Contre-intuitivement, une observation des faciès de rupture montre que les fissures sont toujours montantes quelle que soit la pente de fil. Enfin, un modèle différences finies de calcul de diffusion est développé et appliqué sur des pesées automatiques, permettant d'estimer les propriétés de diffusion du sapin pectiné du Massif Central.

Silver fir (Abies alba) is an emblematic Auvergne Rhône-Alpes species but facing drying issues. An investigation with professionnals and experts from the regional wood industry relates the drying issues with wetwood traped in heartwood of silver fir logs. This thesis is a study of long-term mechanical behaviour of timber element from green or partially dried silver fir wood. Mastering this subject may support construction techniques that do not require drying.This research work is mainly based on the development and analysis of an experimental campaign on silver fir structural-element scale beams, green or partially dried. This campaign consists on bending tests and creep tests on notched beams, and diffusion tests. Creep and fracture mechanics with the effect of thermo-hydric variations are studied. The creep tests are realised under outdoor semi-sheltered conditions and a marker tracking technique had been developed in order to improve the measurements. Precision and abilities of this technique are described. Results on bending tests show that initial mechanical characteristics are unable to predict the beams' strength, the later is rather related to crack propagation that depends on knots positions and grain angle. Results on creep tests show that central deflection is on average higher for initially green beams, but also highlight the impact of sun exposure and crack propagation, that still depends on knots position. An analytical model of crack length calculation based on geometrical consideration is described and validated on crack propagations that stay under the hypothesis of the model. Unexpectedly, fracture facies show that crack propagation are always rising regardless of the grain angle. Finally, a finite differences model of water diffusion is described and applied to automatic weighing of wood samples, allowing to estimate diffusion properties of Massif Central silver fir wood.