Détermination des propriétés élastiques et du retrait d'un cerne annuel de chêne dans le plan transverse : description de la morphologie, mesures des propriétés microscopiques et calculs d'homogénéisation
Résumé
Because of its biologie origin, wood is a very variable composite. The aim of this work is the understanding of the variability of mechanical and shrinkage properties of oak by a deterministic approach that takes into account the spatial distribution of the components and their intrinsic properties. Realized at the annual ring scale, this approach requires two kinds of data and needs the development of specific tools : * The morphology specifies the components (ray cells, fiber. .. ) and describes their spatial distribution inside the representative volume (the annuai ring) of the material. A numerical imaging device, using Xray attenuation principle, has been developed in order to perform images of the structure. * The microscopie properties of the main components. Within the context of this work, we are interested by mechanical and shrinkage properties. So, two types of microscopie samples areprepared within each component: - On the one hand, micro tensile tests under microscope are performed. The comparison of images at different stress levels permits to obtain elastic properties (Young modulus and Poisson's ratio) for each kind of tissue. - On the other hand, other samples are placed in a specifie climatic chamber which is installed inside the previous X-cay imaging device. Images are performed at different humidity rates. A specifie process permits to compare them and calculates the swelling coefficients of the sample simultaneously in two directions. Finally, the use of a numerical tool, MorphoPore, permits to connect ail these data in order to calculate the macroscopic properties of annual rings. A numerical mesh is built from the image provided by the X-ray device and the measured microscopie properties are injected in the calculation. The possibilities of this tool are presented with few examples Especially, this approach permits to separate the influences of genetic parameters, as the specific structural characteristics, and of growth parameters as silviculture or station. For example, we propose to quantify the influence of growth speed of a tree on mechanical and shrinkage properties of its wood.
Issu de l'activité biologique de l'arbre, le bois est un matériau composite aux propriétés fortement variables; caractéristique importante qui limite son utilisation. Le travail de cette thèse se situe dans le cadre d'une approche déterministe visant à comprendre la variabilité observée sur les propriétés mécaniques et de retrait du bois de chêne en fonction ae l'organisation de sa structure et des propriétés microscopiques de ses composantes (rayons ligneux, fibre ...). Réalisée à l'échelle de l'accroissement annuel, cette approche requiert deux grand types de données qui ont nécessité la mise en place d'une chaine d'outils spécifiques: * la morphologie qui définit les éléments structuraux (rayons ligneux, fibres ...) et leur distribution spatiale au sein du volume représentatif du matériau. Cette description est obtenue grâce au développement d'un dispositif d'imagerie numérique basé sur le principe de l'atténuation d'un rayonnement X. * les propriétés microscopiques des principaux éléments constitutifs du plan ligneux du chêne. Dans le cadre de cette étude, où les propriétés mécaniques et de retrait sont au centre de nos préoccupations, deux types d'échantillons microscopiques (quelques centaines de micromètres) sont préparés au sein de chacun des constituants: - les premiers sont sollicités en traction grâce à une machine d'essai placée sous un microscope. La comparaison d'images de la structure à différents niveaux de stress permet d'accéder à des propriétés élastiques (modules d'Young, coefficients de Poisson) pour chacun des tissus considérés. - les seconds sont disposés dans une chambre climatique placée au sein du dispositif d'imagerie X précédemment développé. La comparaison d'images réalisées à différents états hydriques permet, sans contact, d'accéder aux coefficients de gonflement des éprouvettes, simultanément dans deux directions. Enfin l'utilisation d'un outil numérique d'homogénéisation, MorphoPore, permet d'assembler ces connaissances afin de calculer les propriétés macroscopiques d'accroissements annuels. Les images de la morphologie issues du banc d'imagerie X sont alors la base d'un maillage numérique; les propriétés microscopiques des différents tissus qui y sont injectées étant issues essentiellement des mesures expérimentales. Les potentialités de l'outil sont présentées au travers de quelques cas. En particulier, cette approche permet de distinguer les influences de paramètres génétiques tel que le plan ligneux, de ceux liés à la croissance de l'arbre tels que la sylviculture ou la station. A titre d'exemple, nous citerons la quantification de l'influence de la vitesse de croissance d'un arbre sur les propriétés mécaniques et de retrait du bois.