Modélisation 3D de l'angle des fibres de bois dans un billon pour la caractérisation non-destructive des performances mécaniques des bois sciés

3D modeling of wood fibers angle in a log for non-destructive characterization of sawn timber mechanical properties

• Auteur / Autrice : Hélène Penvern
• Direction : Guillaume Pot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2022
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaBoMaP - Laboratoire Bourguignon des Matériaux et Procédés

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation 3D

Bois

Fibres

Angle

Bois sciés

Mécanique

3D modeling

Wood

Fibers

Angle

Sawn timber

Mechanical

Résumé

Contexte et objectifs Le dimensionnement des structures des bâtiments nécessite la connaissance du matériau qui les constitue. Contrairement au béton et à l'acier, les propriétés mécaniques du bois sont très variables en raison des conditions de croissance des arbres et de l'hétérogénéité naturelle du bois. Dans les scieries les plus modernes, il existe des scanners qui contrôlent la qualité de chaque planche grâce à des images couleur, rayons X, ou mesure d'orientation des fibres. Cependant, la prédiction des caractéristiques mécaniques n'est pas encore parfaite : en raison de l'incertitude des méthodes de classement, une quantité non négligeable de planches est rejetée par sécurité (de l'ordre de 30 % selon Viguier et al. 2017), ce qui constitue un gâchis environnemental et un manque à gagner économique. Le LaBoMaP est spécialisé dans la modélisation des propriétés mécaniques du bois à partir de ces données de scanner (Viguier et al. 2017, Olsson et al. 2018). Ce projet s'inscrit dans la lignée de ces travaux, et est financé par l'Agence Nationale pour la Recherche (projet EffiQuAss – ANR-21-CE10-0002-01). Les voies d'amélioration sont encore nombreuses pour mieux modéliser les propriétés de ce matériau très hétérogène et anisotrope et ainsi contribuer à optimiser l'utilisation de la matière issue du procédé de sciage, et donc améliorer encore le bilan carbone du bois dans la construction. Travaux attendus L'un des principaux verrous est de réussir à avoir une représentation géométrique la plus exacte possible des différentes singularités présentes dans une planche : en particulier, les noeuds peuvent traverser les planches de part en part et l'orientation des fibres du bois varie beaucoup dans l'espace, un peu à la manière des lignes de courant dans un fluide en mouvement (Frayssinhes et al. 2020, Foley 2001, 2003). Le ou la doctorant(e) devra donc en premier lieu travailler à cette modélisation que l'on peut qualifier de géométrique, avant de faire le lien avec les propriétés mécaniques. 346 planches douglas ont déjà été scannées avec un scanner industriel, et aussi testées en flexion, ce qui permet de partir d'une base de données très riche. Plusieurs planches avec des noeuds ont été conservées pour une étude plus poussée dans l'objectif de modéliser l'angle des fibres en 3D. Après avoir scanné à haute résolution l'orientation des fibres de ces planches, les échantillons sélectionnés seront scannés en tomographie par rayons X. À partir de ces tomographies, le ou la candidat(e) travaillera à détecter les noeuds (Longuetaud et al. 2012) et les cernes de croissance (Huber et al. 2021) qui permettront finalement de modéliser l'orientation des fibres en 3D, dans le volume des échantillons. L'idée principale consiste cependant à tenter de s'affranchir de la tomographie RX en utilisant la connaissance de la position des planches à l'intérieur du billon pour modéliser l'angle des fibres 3D dans le billon, grâce aux mesures d'orientation des fibres à la surface des planches. L'objectif est d'utiliser les équations de Foley (2001, 2003), ou un modèle similaire. Ces équations ressemblant à ce que l'on peut voir en mécanique des fluides permettront de lisser ou interpoler les données d'orientation des fibres mesurées. En utilisant de tels modèles pour avoir la forme générale des lignes de courant et la mesure de l'orientation des fibres à la surface des planches comme contraintes à respecter, une procédure d'optimisation pourra être menée pour identifier les paramètres du modèle et finalement obtenir la représentation 3D complète à l'intérieur du billon. Les données d'angle des fibres 3D au niveau du billon seront ramenées au niveau des planches afin que les modèles mécaniques puissent être appliqués pour calculer la rigidité et la résistance locales. Ces modèles analytiques et éléments finis seront développés pour tenir compte de la nouvelle forme des données d'entrée. L'amélioration obtenue sur la prédiction des propriétés mécaniques par rapport aux méthodes existantes sera étudiée, et une réflexion sera portée sur l'application industrielle de la méthode. Profil Pour mener à bien ce sujet de thèse, le ou la candidat(e) devra donc avoir une appétence pour la modélisation et être capable de coder dans un langage de programmation (python, MATLAB, …). En particulier, la modélisation géométrique demandera de traiter les données par interpolation, lissage, etc., ce qui nécessite d'avoir un « esprit mathématique ». Une formation en mécanique apparaît aussi indispensable. Bien qu'essentiellement porté sur la modélisation, une partie non négligeable du travail sera expérimentale. References Foley C (2001) A three-dimensional paradigm of fiber orientation in timber. Wood Science and Technology 35:453–465. Foley C (2003). Modeling the effects of knots in structural timber (PhD Dissertation). División of the Structural Engineering, Lund University. Frayssinhes R, Girardon S, Denaud L, Collet R (2020) Modeling the Influence of Knots on Douglas-Fir Veneer Fiber Orientation. Fibers 8:54. https://sam.ensam.eu/handle/10985/19459 Huber JAJ, Ekevad M, et Broman O (2021) Using Computed Tomography Data for Finite Element Models of Wood Boards. Présenté à 14th WCCM & ECCOMAS Congress 2020, Paris (Online). Longuetaud F, Mothe F, Kerautret B, Krähenbühl A, Hory L, Leban JM, et Debled-Rennesson I (2012) Automatic knot detection and measurements from X-ray CT images of wood: A review and validation of an improved algorithm on softwood samples. Computers and Electronics in Agriculture, 85, 77‑89. Olsson A, Pot G, Viguier J, Faydi Y, Oscarsson J (2018) Performance of strength grading methods based on fibres orientation and axial resonance frequency applied to Norway spruce (Picea abies L.), Douglas fir (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco) and European oak (Quercus petraea (Matt.) Liebl./Quercus robur L.). Annals of Forest Science 75:102. https://sam.ensam.eu/handle/10985/14957 Viguier J, Bourreau D, Bocquet J-F, Pot G, Bléron L, Lanvin JD (2017) Modelling mechanical properties of spruce and Douglas fir timber by means of X-ray and grain angle measurements for strength grading purpose. European Journal of Wood and Wood Products 75:527–541. https://sam.ensam.eu/handle/10985/11794

Context and objectives Mechanical design in mechanical components of building requires good knowledge of the material which constitutes them. Unlike concrete and steel, mechanical properties of wood are highly variable due to the growing conditions of trees and wood natural heterogeneity. In the most modern sawmills, scanners control each board quality using color images, X-rays, or fiber orientation measurement. However, wood mechanical properties prediction is yet uncomplete due to the classification methods several uncertainties. A significant number of boards are disposed for safety reasons (around 30% according to Viguier et al. 2017) , which constitutes an environmental mess and an economic shortfall. The LaBoMaP specializes in modeling wood mechanical properties from these scanner data (Viguier et al. 2017, Olsson et al. 2018). Following this pattern, this project is funded by the National Research Agency (EffiQuAss project – ANR-21-CE10-0002-01). There are still many optimisation paths for better modelling and understanding wood very heterogeneous and anisotropic properties., in order to allow a better use af sawn timber, as a matter of carbon balance enhancement in wood construction. Expected work One of the main stumbling blocks to the proper characterization of sawn timber is to succeed in having the most exact geometric representation possible of the various singularities found in a plank as these singularities have a great impact on wood mechanical properties. In particular, knots, which can cross planks from side to side, impair greatly timber resistance. The doctoral student will therefore first have to work on this geometry and then link it to sawed board mechanical properties. With this aim, 346 douglas boards have already been scanned with an industrial scanner, and tested in bending, which makes it possible to start from a very rich database. From this batch, several boards with knots were drawn for furher high resolution scanning through X-ray tomography. From these tomographies, the candidate will have to work on knots (Longuetaud et al. 2012 ), growth rings (Huber et al. 2021), and fibers angle detection, in order to reconstruct and contrast real and modelled wood fibers orientation in the volume of the samples. Indeed, wood fibers orientation varies a lot in space, somewhat like streamlines in a moving fluid (Frayssinhes et al. 2020, Foley 2001, 2003). Foley's equations (2001, 2003), or a similar model will make it possible to smooth or interpolate the orientation data of the fibers measured to have a general shape of the orientation of the fibers. The 3d-finite element model constructed should then be used to infer and again contrast local stiffness and strength of modeled and real wood boards. Having this work done, the underlying purpose however will consist in shedding X-ray tomography to solely use knowledge of the log position in the trunk, and fibers angle measurements on the surface to define wood board mechanical performance. The log position will provide the pit location, the surface fibers orientation will provide the knots location. This information should give enough information to get a correct 3d model of the fibers orientation inside any plank, and thanks to the previous work, predict its mechanical performance. This classification process should then be tested on the full 346 douglas boards batch in order to estimate this new method quality upgrade. A reflection will be made on the industrial application of the method. Profile To carry out this thesis subject, the candidate must therefore have an appetite for modeling and be able to code in a programming language (python, MATLAB, etc.). In particular, geometric modeling will require processing data by interpolation, smoothing, etc., which requires having a “mathematical mind”. Mechanical training is also essential. Although essentially focused on modeling, a significant part of the work will be experimental. References Foley C (2001) A three-dimensional paradigm of fiber orientation in timber. Wood Science and Technology 35:453–465. Foley C (2003). Modeling the effects of knots in structural timber (PhD Dissertation). Division of the Structural Engineering, Lund University. Frayssinhes R, Girardon S, Denaud L, Collet R (2020) Modeling the Influence of Knots on Douglas-Fir Veneer Fiber Orientation. Fibers 8:54. https://sam.ensam.eu/handle/10985/19459 Huber JAJ, Ekevad M, et Broman O (2021) Using Computed Tomography Data for Finite Element Models of Wood Boards. Présenté à 14th WCCM & ECCOMAS Congress 2020, Paris (Online). Longuetaud F, Mothe F, Kerautret B, Krähenbühl A, Hory L, Leban JM, et Debled-Rennesson I (2012) Automatic knot detection and measurements from X-ray CT images of wood: A review and validation of an improved algorithm on softwood samples. Computers and Electronics in Agriculture, 85, 77‑89. Olsson A, Pot G, Viguier J, Faydi Y, Oscarsson J (2018) Performance of strength grading methods based on fibres orientation and axial resonance frequency applied to Norway spruce (Picea abies L.), Douglas fir (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco) and European oak (Quercus petraea (Matt.) Liebl./Quercus robur L.). Annals of Forest Science 75:102. https://sam.ensam.eu/handle/10985/14957 Viguier J, Bourreau D, Bocquet J-F, Pot G, Bléron L, Lanvin JD (2017) Modelling mechanical properties of spruce and Douglas fir timber by means of X-ray and grain angle measurements for strength grading purpose. European Journal of Wood and Wood Products 75:527–541. https://sam.ensam.eu/handle/10985/11794