Essais sur le bois

Source : Roberto Leon, département de génie Civil et environnemental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Le bois est un matériau omniprésent qui a été utilisé dans la construction des premiers temps. Le bois est un matériau renouvelable et durable d’une grande valeur esthétique. Aujourd'hui, il y a probablement plus de bâtiments construits avec du bois que tout autre matériau structurel. Beaucoup de ces édifices sont des résidences unifamiliales, mais beaucoup plus grands immeubles d’habitation, ainsi que des bâtiments commerciaux et industriels, aussi utilisent un cadrage de bois.

L’utilisation généralisée des bois dans la construction a recours de façon économique et esthétique. La possibilité de construire des bâtiments bois avec un minimum d’équipement a gardé le coût des bâtiments Quasis concurrentiel avec d’autres types de construction. En revanche, où les considérations architecturales sont importantes, la beauté et la chaleur du bois exposée est difficile à assortir avec d’autres matériaux.

Les objectifs de cette expérience sont à effectuer des essais de traction et de compression sur trois types de bois pour étudier leur comportement contrainte-déformation et procéder à un essai de flexion quatre points sur une poutre en bois pour vérifier ses performances en flexion. Dans un essai de flexion quatre points, une poutre simplement appuyée est dotée de deux charges de point égal à ses points de troisième, ayant pour résultat une portion centrale avec moment constant et zéro au cisaillement. Il s’agit d’un test important parce que les éléments structures en bois sont souvent utilisés dans les systèmes de plancher et sont donc principalement chargés par flexion.

Le bois est composé de cellules tubulaires allongées, rondes ou rectangulaires. Ces cellules sont beaucoup plus longue (2 à 4 mm) qu’ils sont ensemble (20-40 μm), avec la longueur des cellules souvent liée à la longueur de l’arbre. Les parois cellulaires sont faites de cellulose (un polymère), avec des chaînes polymériques alignés dans des directions différentes dans chacune des couches qui constituent la paroi cellulaire. Le mur central, avec ses chaînes alignées le long de la dimension la plus longue de la cellule, fournit l’essentiel de la force de la cellule, alors que les chaînes de diagonale de la paroi intérieure et extérieure offrent une stabilité. La structure de la paroi cellulaire est semi-cristallin, avec des structures cristallines de 30 à 60 μm de longueur suivie de courtes sections amorphes. Les chaînes et les cellules sont liés ensemble par un matériau connu comme la lignine. Chaque cellule est relativement faible, mais l’effet au groupement de plusieurs cellules ensemble fourni par les résultats de la lignine dans un matériau de construction très solide et utile. Une bonne analogie pour cela est la résistance d’une boisson unique paille versus celle de nombreuses paillettes collées ou liés entre eux.

Le simple fait que le bois est un matériau biologique rend très sensible à la dégradation environnementale et attaque de parasites si elle est exposée aux éléments. Ainsi, une grande partie du bois utilisé aujourd'hui est prétraitée avec des produits chimiques pour le protéger de l’environnement et l’attaque des insectes. Que le bois est un matériau biologique signifie aussi qu’il y a une grande variation dans les propriétés mécaniques entre les morceaux de bois, même au sein de la même espèce d’arbre. Un grand nombre des imperfections seront inévitablement présent, faisant du bois un matériau inhomogène. Ces défauts sont le résultat de nœuds, où une partie d’une branche ou une branche a été intégrée dans le corps principal de l’arbre. En conséquence, gros coefficients de sécurité, ou les rapports de force de conception de résistance à la rupture réelle, sont utilisés en bois design. Valeurs typiques pour les coefficients de sécurité en bois sont 2.5 pour les membres en flexion, et codes de calcul sont calibrés tels que 99 % des députés auront au moins un facteur de 1,25 de sécurité.

La composition cellulaire du bois en fait un matériau orthotrope. Ainsi, les propriétés seront différentes si le matériel est chargé en parallèle ou perpendiculaire au côté long des cellules. Cette propriété signifie que la théorie habituelle d’élasticité ne peut pas être utilisé directement car le matériel n’est pas isotropes (mêmes propriétés dans toutes les directions de trois) mais orthotrope (propriétés distinctes dans deux directions : longitudinal et transversal à la cellule plus longtemps direction). La composition cellulaire signifie également que la teneur en humidité du bois est un paramètre clé dans la détermination de sa force. Ces deux facteurs serait trop complexes pour une utilisation dans la conception de tous les jours, alors le dessin du bois à des fins structurelles est basé sur la théorie linéaire et contraintes admissibles déterminés par l’approche suivante :

1. Une analyse statistique d’un grand nombre d’essence ultime (ou sans défaut) force des valeurs pour les différentes espèces commerciales est effectuée. Les tensions nominales reposent sur 95 % des valeurs étant plus grand et 5 % étant inférieure à la résistance à la rupture nominale.
2. Les valeurs sont corrigées pour tenir compte de la teneur en eau, comme ce facteur influe beaucoup sur la plupart des propriétés mécaniques du bois. L’humidité dans le bois se compose principalement d’eau libre dans les cavités cellulaires et eau liée dans les parois cellulaires. Lorsque le bois est séché, il est facile à enlever l’eau libre, mais beaucoup plus difficile à enlever l’eau liée. Le taux d’humidité à laquelle l’eau commence à être retiré de la paroi cellulaire est appelé le point de saturation des fibres (FSP). En général, des réductions dans l’humidité entraîner augmente en force, surtout que le niveau descend sous le FSP. Bois dans son état vert (ou fraîchement coupées) auront une teneur en humidité importante (plus de 100 % pour les espèces comme le balsa) et ne commencera pas à reprendre des forces importantes jusqu'à ce que sa teneur en humidité est inférieure à la PSA, qui oscille entre 22 % et 30 % pour la plupart des espèces. Bois de œuvre est considéré comme avoir été raboté vert (ou couper en condition humide) lorsque sa teneur en humidité est supérieure à 19 % et raboté si sec au-dessous de cette limite. Bois séché à l’air aura une teneur en humidité d’environ 12-15 %, tandis que séché au bois est inférieure à 10 %. Le bois est uniquement séché au four si nécessaire pour des applications spéciales telles que des meubles ; pour les applications structurelles plus courantes séchant à l’air est suffisante.
3. Les rapports de force sont ensuite utilisés pour ajuster les valeurs d’essence afin de tenir compte des défauts de strengthreducing autorisés dans un grade donné de stress. Grades de stress, une mesure de la qualité du bois ingénierie, sont généralement affectés en fonction lors d’une inspection visuelle rapide ou de plier les tests exécutés dans la chaîne de production. Dans ce dernier cas, la rigidité est proportionnelle à l’indice d’élasticité, et qui est ensuite corrélé à la force. Les propriétés communément données pour la plupart des bois sont la contrainte de flexion admissible (F,_b), cisaillement horizontal (F_v), compression parallèle aux fibres (F_c), compression perpendiculaire aux fibres (F_c) et le module d’élasticité (E). Outre les propriétés de base spécifiques à l’orientation d’une espèce de bois, il devrait être évident que pas tous les bois comportent pareillement sous charge. Les bois tendres, tels que l’épinette, le pin ou le sapin, sont relativement peu coûteux et sont donc utilisées principalement à des fins structurelles dans les structures de lumière-cadre. Des bois plus durs, comme le chêne ou l’hickory, ont un taux de croissance différents et le motif, rendant les bois plus difficiles à reconstituer, tout en donnant les caractéristiques supérieures de certaines applications de construction.

Il est important de noter que les grands changements volumétriques sont associées à des réductions des taux d’humidité. Le rétrécissement qui résulte de l’évaporation n’est pas uniform. Par exemple, pour le Douglas taxifolié, le retrait radial est de 4,8 %, le retrait tangentiel est de 7,6 % et le retrait volumique est de 12,4 %. Car le bois est un matériau polymère, il est également sujette à s’insinuer ou continue visqueux comme déformation sous constante de charge. En conséquence, bois peut généralement supporter beaucoup contraintes plus élevées si la durée de chargement est courte. Un facteur de durée de charge est utilisé pour tenir compte de ce comportement. Si les durées de charge sont courtes, par exemple, 10 minutes ou moins pour le cas de charges de tremblement de terre et de grandes tempêtes, les valeurs de calcul peut être multiplié par 1,6 car la durée de charge est suffisamment courte pour qu’aucun appréciable de fluage ne peut se produire.

Autres facteurs de correction communément utilisés sont le facteur de taille, le facteur membre répétitives et le facteur de forme. Le facteur taille représente pour le fait que les tests de bois la plupart données sont générées à partir de faisceau peu profonde, moins de 12 po de profondeur et il est bien connu que la force moyenne diminue avec la taille du membre augmente en raison de la présence de défauts (la taille de ce que l'on appelle effect). Le facteur de répétition est utilisé pour tenir compte du fait que les membres de bois sont souvent utilisés à proximité d’un de l’autre et sont liés ensemble par diaphragmes de plancher et des collectionneurs, alors la faiblesse ou l’échec d’un membre individuel ne conduit pas à une excessive s’effondrer (c.-à-d., échecs seront localisées). Enfin, le ratio d’aspect (profondeur/épaisseur) d’un membre affecte également les résultats des tests. Tous ces facteurs de correction sont fondamentalement empirique, mais justifiées selon les statistiques de résultats de tests de laboratoire et l’expérience de la performance dans le domaine.

Les propriétés orthotropes du bois peuvent être améliorées en créant des stratifiés, comme le contreplaqué, où couches avec fibres alignées en résultat des directions perpendiculaires dans un matériau isotrope. De manière similaire, les membres ont fait de fines bandes de fibres alignées dans la même direction et collées sous pression, ou coller le stratifié (lamellé-collé), tirent leur force de distribuer des défauts.

Essai de compression

1. Obtenir nominale 3-1/2" compression cube spécimens de trois bois (pin, l’épicéa et le chêne par exemple). Les cubes peuvent être coupées d’une section de 4 x 4 mais devraient être bois clair. S’assurer que les surfaces doivent être parallèles entre eux. Un ensemble d’échantillons doit être testé avec le parallèle de la charge appliquée au grain, et l’autre série de spécimens doit être testé avec la perpendiculaire de la charge appliquée au grain. Le nombre de répétitions de test au sein d’un ensemble dépend de la limite de confiance souhaitée. Un seul essai par set se déroulera dans le cadre de ce laboratoire, ainsi que ses objectifs afin de démontrer les techniques et ne pas à développer de grands ensembles de données robustes pour la conception technique.
2. Mesurer les dimensions transversales (largeur et épaisseur) de chaque échantillon à la po 0,002 plus proche à l’aide d’un pied à coulisse. Mesurer la longueur totale (dans le sens de chargement) pour les spécimens de compression. Comme les spécimens peuvent varier légèrement dans les dimensions sur toute leur longueur, prendre plusieurs mesures et enregistrer la moyenne approximative pour chaque dimension mesurée.
3. Après avoir configuré la machine d’essai universelle (voir premier manuscrit dans cette série : matériaux constantes), soigneusement centrer le spécimen sur le plateau en compression et abaisser le curseur jusqu'à ce qu’une légère charge est appliquée. Utiliser les commandes pour reculer la charge au plus près de zéro que possible.
4. Appliquer la charge compressive lentement avec un taux de charge de 20 lb/po² à 50 lb/po2 par seconde.
5. Le test de compression peut continuer pendant plusieurs minutes avec la charge sans cesse croissante et importante souche vu dans l’échantillon. Continuer l’essai jusqu'à ce qu’une charge maximale est atteinte évidemment.
6. Enregistrement de la charge maximale de l’écran.
7. Répétez pour tous les échantillons, tant avec le parallèle de spécimens et perpendiculaire au grain.

Test de tension

1. Obtenir des spécimens de chien-OS de trois bois (pin, l’épicéa et le chêne par exemple). Un ensemble d’échantillons doit être testé avec le parallèle de la charge appliquée au grain, et l’autre série de spécimens doit être testé avec la perpendiculaire de la charge appliquée au grain. Notez que ce ne sont pas le type de spécimen requis pour les essais ASTM sur bois, car le but est de démontrer le comportement de résistance à la traction et ne pas se doter d’une base de données pour la conception.
2. Procéder comme d’habitude avec la machine de test de tension habituelle (voir deuxième manuscrit dans cette série : des essais de traction sur l’acier).

Essai de flexion

1. Obtenir un 2 x 4 environ 24 po long de pin du Sud dense.
2. Installer un appareil d’essai flexion quatre points sur la machine d’essai universelle (Fig. 1).

Figure 1 : Appareil de flexion quatre points.

3. Démarrer la machine d’essai et des logiciels associés. Assurez-vous que le logiciel est configuré pour capturer la charge maximale et enregistrent les charges et les valeurs de la crosse.
4. Installer les 2 x 4 dans l’appareil et abaissez la partie supérieure de l’extracteur jusqu'à ce que l’appareil commence juste à faire contact avec les poutres en bois.
5. Appliquer la charge lentement (environ 2000 lbs / min) jusqu'à ce que les fractures du faisceau (Fig. 2).

Figure 2 : Rupture en flexion de poutres en bois.

6. Enregistrement de la charge de rupture.

La compression, de tension et flexion test résultats sont résumés dans le tableau 1. Comme le montrent régulièrement tous les résultats, le chêne est le bois plus fort, suivie de pin épinette et du Sud.

Tableau 1 : Sommaire test bois

Tableau 2 : Données normalisées

Le tableau 2 présente les mêmes données que dans le tableau 1 mais normalisé à la résistance du matériau chêne. Pour les deux plus importantes propriétés, force et compression flexion parallèle au grain, l’épinette semble être à peu près 87 % environ et le sud pin environ 78 % plus fort que le chêne. Compte tenu de la très grande différence de prix entre bois, il semblerait que le pin du Sud, comme le moins cher d'entre eux, est un choix très efficace.

Le bois est un matériau durable et naturel qui présente des propriétés orthotropes. Dans d’autres laboratoires, des matériaux tels que métaux, polymères et le béton ont été testées en traction ou compression avec l’hypothèse que la matière agit isotrope, c'est-à-dire que sa résistance à une charge particulière est le même quel que soit l’orientation de la matériau. Acier, par exemple, possède une multitude de grains orientés au hasard à l’échelle micro, ce qui lui donne des propriétés homogènes et isotropes à l’échelle macro. Cependant, le bois, avec sa direction du grain facilement identifiable, n’agit pas isotrope. Ainsi, un concepteur doit examiner attentivement les charges prévues sur une membre de bois ou de la structure afin d’assurer une efficacité maximale du matériau. En outre, en raison de son origine naturelle, bois a des propriétés mécaniques liées à chaque espèce d’arbre, la teneur en humidité et la taille de l’éprouvette.

Jusqu'à récemment, les structures en bois sont limitaient à trois ou quatre histoires dans un appartement ou un immeuble à bureaux petits. Développements de croix-stratifié bois, panneaux de bois constitué de couches orientées perpendiculairement à l’autre et puis collés, ont abouti à l’élaboration des systèmes structurels pouvant atteindre 8 ou plusieurs histoires. Des bâtiments beaucoup plus grands, dans l’ordre de 20 étages, sont toujours en cours d’élaboration.