Comportement différé du matériau bois, vers une meilleure connaissance des paramètres viscoélastiques linéaires

K. A. Houanou, E. A. Foudjet, D. A. Tchéhouali

Résumé


1. Objectif général
Etudier les paramètres rhéologiques du comportement viscoélastique linéaire du bois d'une part et examiner ce comportement dans l'environnement tropical béninois d'autre part, en s'appuyant sur le Tectona grandis et le Diospyros mespiliformis du Bénin.

2. Objectifs Spécifiques (OS)
OS1 : Modéliser numériquement le comportement viscoélastique linéaire de deux espèces tropicales de bois pour une durée de chargement déterminée ;
OS2 : Etudier l'influence de la durée de chargement sur les paramètres viscoélastiques linéaires ;
OS3 : Etudier la dispersion des paramètres viscoélastiques linéaires ;
OS4 : Etudier le comportement mécanique différé d'une poutre en bois en grandeur d'emploi sous ambiance naturelle abritée.

3. Hypothèse
La maîtrise du comportement différé du matériau bois permettra de mieux l'utiliser dans la construction.

4. Méthodologie
- Dispositions pour l'ensemble des essais
La méthodologie employée pour atteindre l'objectif visé par ce travail est centrée sur des essais de fluage, tant pour les éprouvettes en modèle réduit que pour les poutres en grandeur d'emploi.
- Cas des poutres en modèle réduit
L'essai de fluage est réalisé en sollicitant les éprouvettes à la flexion deux points, la charge appliquée étant fixée à 20 % de la charge de rupture par flexion 4 points. La température du local abritant les expériences est relevée tout au long de l'expérimentation afin de s'assurer de sa constance. La durée de l'essai par éprouvette a été de 15 heures. La flèche à mi-portée de la poutre est relevée, au moyen d'un comparateur monté sur un socle, toutes les 30 mn. La flèche instantanée est relevée au bout de 15 secondes, période correspondant à la stabilisation de l'aiguille du comparateur. Chaque flèche relevée a été convertie en déformation longitudinale puis en complaisance viscoélastique linéaire.
Ensuite, les valeurs des paramètres viscoélastiques linéaires sont déterminées à l'aide de la méthode des moindres carrés non linéaires appliquées respectivement aux expressions mathématiques de la complaisance viscoélastique linéaire issues d'un modèle de Kelvin-Voigt simple puis d'un modèle de Kelvin-Voigt généralisé à l'ordre 2.
Enfin, des tests statistiques sont réalisés pour valider les modèles numériques développés et définir leur domaine de prédiction. Egalement, grâce au test de Fisher, la signification de chaque modèle ainsi que celle de leur différence ont été mesurées. En vue de démonter l'influence de la durée de chargement sur les paramètres viscoélastiques linéaires, 14 fenêtres d'observations ont été constituées à partir de la durée de chargement de 15 heures. Quant à la dispersion, elle a été conduite en examinant les observations par éprouvette.
- Cas des poutres en grandeur d'emploi
Les essais de fluage réalisés sur ces poutres sont des essais de flexion 8 points au cours desquels la flèche à mi-portée de chaque éprouvette est relevée au moyen d'un comparateur de course 30 mm et mesurant au 1/100ième de mm. Les mesures des flèches ont été faites sur les fibres comprimées et tendues. Les poutres ont été chargées à 18.27 % de leur contrainte de rupture par flexion 4 points. En vue d'examiner l'influence de la direction du vent sur les comportements viscoélastique linéaire et mécano-sorptif couplés, les poutres ont été disposées suivant les directions perpendiculaire et parallèle à celle du vent. Les caractéristiques météorologiques du site d'expérimentation, la vitesse et la direction du vent, la température et l'humidité relative de l'air, ont été mesurées à l'aide d'une mini station météorologique.  
- Matériel végétal, espèces retenues et conditionnement des éprouvettes
Les espèces retenues pour les essais de laboratoire sont le Tectona grandis (Teck) et le Diospyros mespiliformis (Ebène). Toutes les éprouvettes confectionnées à partir de ces deux espèces sont conditionnées à un taux d'humidité de 12 % et maintenue constante pendant toute la durée de l'expérimentation. A cet effet, les éprouvettes conçues pour le test de fluage sont soigneusement entourées de film d'aluminium afin de maintenir sous contrôle leur teneur en eau. Au total, 24 éprouvettes sont taillées dans le sens des fils à raison de 12 par espèce.
Les essais sur poutres en grandeur d'emploi ont été réalisés sur une seule espèce notamment le Diospyros mespiliformis (Ebène). De dimensions 8cmx14cmx320cm, les poutres sont issues directement des madriers du commerce, sans conditionnement préalable. Huit (8) poutres ont été taillées dans le sens longitudinal des fibres.
- Sites d'expérimentation
Les essais sur éprouvettes en modèle réduit ont été menés au Laboratoire de Génie Civil de l'Ecole Polytechnique d'Abomey-Calavi (Université d'Abomey-Calavi, République du Bénin). Tandis que les essais sur poutres en grandeur d'emploi sont réalisés sous un abri non loin du même laboratoire.
- Normes relatives aux essais de qualification du matériel végétal
Les normes utilisées pour qualifier le matériel végétal sont :
- Norme NF B 51-004 de septembre 1985 pour la détermination de la teneur en eau.
- Norme NF B 51-007 de septembre 1985 pour les essais de compression axiale.
- Norme NF B 51-008 de novembre 1987 pour l'essai de flexion statique 4 points.
- Matériels
- Essai de flexion 2 points
Le dispositif expérimental est composé d'une potence, d'un plateau de suspension des charges de sollicitation et d'un support de comparateur. La partie supérieure de la potence est équipée d'un dispositif d'encastrement constitué de deux plaques métalliques dont l'une est soudée sur la potence et l'autre boulonnée sur la première. Un comparateur de marque Baker, de résolution 0,01 mm et de course 10 mm, est fixé sur le support de comparateur.
-Essai de flexion 8 points sur les poutres en grandeur d'emploi
Le dispositif d'essai est constitué de douze (12) plots en béton, servant d'appuis pour les poutres, au-dessus desquels sont montés des tubes ronds métalliques de diamètre 4 cm destinés à rendre linéaire l'appui, de douze (12) comparateurs de course maximale 3 cm mesurant au 1/100e de mm, de six (6) supports de comparateurs, de quarante (40) blocs de béton servant de charges de sollicitation, de quatre (4) tiges de suspension de charges, d'une balance de marque KERN, d'un pied à coulisse à affichage digitale de marque Tec hit de capacité 150 mm et de précision 1/100e et d'une boussole numérique.
- Mesure des données météorologiques du site
Elles sont relevées à l'aide d'une mini station composée d'un collecteur de pluie couplé de capteurs des paramètres du milieu ambiant (température, humidité relative, pression atmosphérique), d'un anémomètre comprenant un ensemble de trois coupelles et un indicateur de direction du vent, puis d'une console digitale qui affiche les valeurs relevées.
- Essai de qualification du bois
Le matériel utilisé pour la détermination des résistances à la rupture en compression axiale et en flexion est constitué essentiellement d'une presse hydraulique multi vitesses de marque IGM dont la gamme de vitesse varie de 0.001 à 50.8 mm/min. D'une résolution de 10 N, la presse hydraulique a une capacité de 50 kN et mesure à ±1 ‰ près. Elle est composée d'un bâti, d'un capteur de force, d'un afficheur numérique et d'un dispositif approprié d'appuis.
Les teneurs en eau des éprouvettes ont été déterminées à l'aide d'une étuve ventilée de marque IGM (Ingénierie Générale des Mesures, à régulation de température ERO ELECTRONIC intégrée) et d'une balance de marque KERN de capacité 65 kg, de résolution 1 g et de précision +/- 0.3 g.


Mots-clés


Diospyros mespilliformis; Tectona grandis; comportement différé; viscoélasticité linéaire; modèle numérique; mécano-sorption; direction du vent

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