Composée surtout de conifères, la forêt boréale est un important puits de carbone et représente la principale source de matière première pour la fabrication du papier et du bois d'œuvre à l'échelle mondiale. Toutefois, les changements climatiques affectent ce biome et menacent sa stabilité. Par ailleurs, le bois issu de cette forêt est de plus en plus utilisé comme matériau, car il est renouvelable et capable de stocker du CO₂. Le faible impact environnemental du bois en fait un matériau intéressant dans le contexte des changements climatiques. Cependant, pour que le bois soit aussi compétitif que d'autres matériaux tels que l'acier ou le béton, les producteurs doivent garantir la qualité du produit. Ainsi, plusieurs approches sont utilisées pour permettre le maintien d'un approvisionnement en bois ayant des propriétés physiques et mécaniques qui répondent aux attentes des utilisateurs. L'une des approches utilisées par les gestionnaires forestiers est le reboisement par sélection génétique des arbres. Cette méthode peut à la fois garantir le maintien d'une production de bois de qualité, une croissance rapide et une résistance accrue aux parasites. C'est dans ce cadre que se situe ce travail de thèse. Nous avons séparé les sources de variation et évalué le contrôle génétique de la densité du bois qui représente un caractère clé pour la qualité du bois. Ensuite, nous avons évalué l'effet de la sécheresse sur les propriétés et la conductivité spécifique du xylème par une expérimentation d'arrosage en serre sur des clones d'épinette blanche. Les caractères qui ont été étudiés sont la densité du bois, la croissance des arbres, la biomasse, la largeur et la longueur des trachéides et le nombre de ponctuations par trachéides. Le contrôle génétique sur la variation de ces caractères a été estimé par des mesures d'héritabilité. Les résultats du premier chapitre ont démontré que la variation moyenne de la densité du bois est principalement contrôlée par la génétique. Les programmes d'amélioration génétique pourraient donc sélectionner des arbres à partir de ce caractère. Les deux derniers chapitres ont mis en évidence que les clones utilisent différentes stratégies d'adaptation à la sécheresse et que certains sont moins sensibles que d'autres. Ces résultats indiquent qu'il existe un potentiel de sélection clonale pour l'augmentation de la résistance à la sécheresse chez les semis d'épinette blanche. L'interdisciplinarité de cette thèse permet de contribuer à l'avancée des connaissances fondamentales de la science forestière en plus d'apporter des résultats pratiques qui permettront d'orienter les efforts de sélection des arbres pour le reboisement. / Composed mostly of conifers, the boreal forest is an important carbon sink and is the main source of raw material for the manufacture of paper and lumber of worldwide. However, climate change is affecting this biome and threatening its stability. In addition, wood from this forest is used more and more as a material, because it is renewable and capable of storing CO₂. The low environmental impact of wood makes it an interesting material in the context of climate change. However, for wood to be as competitive as other materials such as steel or concrete, producers must guarantee the quality of the product. Thus, several approaches are used to allow the maintenance of a supply of wood having physical and mechanical properties which meet the expectations of the users. One of the approaches used by forest managers is reforestation by genetic selection of trees. This method can ensure both maintenance of quality timber production, rapid growth and increased resistance to pests. It is within this framework that this thesis work is situated. We separated the sources of variation and assessed the genetic control of wood density which is a key trait for wood quality. Next, we evaluated the effect of drought on the properties and specific conductivity of the xylem by a greenhouse watering experiment on white spruce clones. Traits that have been studied are wood density, tree growth, biomass, tracheid width and length, and number of pits per tracheid. The genetic control over the variation of these traits was estimated by heritability measurements. The results of the first chapter demonstrated that the average variation in wood density is mainly controlled by genetics. Genetic improvement programs could therefore select trees from this trait. The last two chapters have shown that the clones use different drought adaptation strategies and that some are less sensitive than others. These results suggest that there is potential for clonal selection for increasing drought resistance in white spruce seedlings. The interdisciplinarity of this thesis makes it possible to contribute to the advancement of fundamental knowledge of forest science in addition to providing practical results that will guide efforts to select trees for reforestation.

Les propriétés de flexion et la stabilité dimensionnelle sont des propriétés déterminantes pour le potentiel d’utilisation du bois dans les structures de bâtiments et les produits à valeur ajoutée. Une connaissance détaillée des patrons de variation des propriétés du bois à l’intérieur de l’arbre est essentielle pour optimiser l’usage de cette ressource renouvelable et développer des produits hautement performants. L’objectif général de cette recherche doctorale était de caractériser et modéliser les patrons de variation des propriétés de flexion et de la stabilité dimensionnelle du bois à l’intérieur de l’arbre en fonction de différents paramètres (l’âge cambial, hauteur dans la tige, largeur des cernes) et en tenant compte de l’historique des peuplements. Cet objectif fut poursuivi au moyen des objectifs spécifiques suivants: décrire le patron de variation des propriétés physico-mécaniques de la moelle vers l’écorce (c.-à-d. en fonction de l’âge cambial) et dans l’axe longitudinal de la tige ; modéliser l’effet du taux de croissance radiale sur les propriétés physico-mécaniques ; modéliser l’effet de la masse volumique basale du bois sur les propriétés physico-mécaniques et examiner les différences entre les deux types de structures de peuplements (régulier et irrégulier). L’étude a porté sur l’épinette noire (Picea mariana [Mill.] B.S.P), une espèce de grande importance commerciale au Canada. Soixante arbres ont été échantillonnés dans 12 peuplements localisés au nord et au sud de la Côte-Nord, 30 arbres dans 6 peuplements de la région de l’Abitibi-Témiscamingue et 42 arbres provenant de la région du Lac-Saint-Jean. Une approche de modélisation statistique a été utilisée pour rapporter les paramètres de résistance à la flexion, de rigidité et de stabilité dimensionnelle à des variables telles que l'âge cambial et le taux de croissance annuel. Les peuplements ont été échantillonnés avec un temps connu depuis le passage du dernier feu, car cela est connu pour influencer la structure du peuplement et la croissance des arbres. Les résultats ont confirmé que l'âge cambial est clairement la source la plus importante de la variation en direction radiale des propriétés du bois, lequel pourrait être utilisé comme variable prédictive. La largeur des cernes annuels a eu une influence additionnelle faible pour expliquer les variations des propriétés mécaniques et celles de stabilité dimensionnelle. Le bois des arbres à croissance plus rapide des peuplements réguliers avait des propriétés mécaniques supérieures, et était moins stable en termes de dimensions. Les arbres à croissance lente issus de peuplements irréguliers pourraient produire du bois final moins dense, ce qui tendrait à diminuer les propriétés / Bending strength, stiffness, and dimensional stability of wood are determining properties fortheir potential use in building structure and added-value products. A detailed knowledge of the variation patterns of the properties inside a tree is essential to optimize the use of this renewable resource and to develop high-performance products. This PhD project’s goal is to characterize and model the variation pattern for bending strength, stiffness, and dimensional stability within the tree as a function of different parameters (radial distance, the height ofthe stem, the ring width) and taking into account the history of the stands. This general objective was pursued by the means of the specific objectives to : 1) describe the variation pattern of the physico-mechanical properties from pith to the bark (i.e. as a function ofcambial age) and in the longitudinal axis of the stem; 2) model the effect of the radial growth rate on the physico-mechanical properties; 3) model the effect of the basic specific densityon the physico-mechanical properties and examine the differences between the two types of stand structures (regular and irregular). The study focused on black spruce (Picea mariana[Mill.] B.S.P.), a species of high commercial importance in Canada. Sixty trees were sampled in twelve stands located north and south of the North Shore region, thirty trees in six standsin Abitibi-Témiscamingue and forty-two trees from Lac Saint-Jean. This study used astatistical modelling approach to relate flexural strength, stiffness and dimensional stability parameters to variables such as cambial age and annual growth rate. The stands were sampled with a known time since the last fire because this is known to influence stand structure and tree growth. The results confirmed that cambial age is clearly the most important source ofradial direction variation in wood properties, which could be used as a predictive variable. The ring width had a small additional influence to explain the variations in mechanical and dimensional stability properties. The fast-growing wood in regular stands had superior mechanical properties and were less dimensionally stable. Slow-growing trees from unevenaged, irregular stands may produce less dense late wood, which would tend to reduce mechanical properties and increase the dimensional stability of the material. Thus, these properties may be affected by the patterns of intra-ring variation in wood density. The effect of stand type on the wood physico-mechanical properties may also be due to the presence of mild compression wood, which can occur in trees of layer origin or in trees subjected togreater or more complex mechanical stimuli. Analyses also indicate that wood density and cambial age measurements can be used to estimate dimensional stability and mechanical properties. In addition, prediction indices have shown that it is preferable to predict dimensional stability from MOE and cambial age measurements rather than opting for the opposite case, i.e., estimating mechanical properties from dimensional stability. These results could have practical implications for decision-making in forest management and wood allocation. The selection of forest stands to produce black spruce wood for either high dimensional stability or high mechanical properties may be an interesting option that emerges from our results. In general, the modelling results were able to clearly characterize the differences between the two types of stand structures. However, further fundamental researchis needed to elucidate the mechanisms of wood formation that are responsible for differences in properties related to the growth environment in these two types of stand, including the internal structure of growth rings and the ultrastructure and chemical composition of the cell wall of wood tracheids, in order to obtain a more complete tool of simulation of wood qualityfor black spruce.

L'objectif principal de cet ouvrage fut d'établir et de comparer les possibilités d'isolation thermique des constructions industrialisées en bois, tout en satisfaisant aux exigences en vigueur. La conductivité thermique permet de quantifier la déperdition de chaleur à travers un matériau ou un élément, mais on préfère utiliser son inverse, la résistance thermique, pour caractériser le pouvoir isolant. Cette résistance thermique est très dépendante de la présence d'eau dans la paroi; il est nécessaire de pouvoir détecter et mesurer l'humidité afin de contrôler, d'autre part, la condensation. L'application de ces concepts aux bâtiments en bois constitue la phase pratique du présent travail. Il présente des solutions d'isolation thermique des différentes parties de la maison en fonction, entre autres, de la nature et de l'épaisseur de l'isolant. Ce présent travail peut constituer un guide pratique pour les professionnels du bâtiment, afin de choisir et de concevoir un modèle d'isolation conforme aux normes.

Le but principal de ce travail fut d'étudier les changements des propriétés physiques et des relations eau-bois de quatre espèces de feuillus au-dessous et au-dessus du point de saturation des fibres (PSF). Deux espèces tropicales, une tempérée et une provenant de plantation, avec des plans ligneux très variables, furent étudiées. Dans un premier volet de ce travail, des échantillons des quatre espèces furent soumis à trois conditions de désorption à 21°C à partir de la saturation intégrale ou de l’état vert jusqu'à atteindre des humidités d’équilibre (Héq) au-dessous du PSF. L'état de l'eau et la distribution de l’eau liée et liquide ont été analysés par résonance magnétique nucléaire et par imagerie par résonance magnétique (IRM). Le temps de relaxation transversale (T2) a indiqué la présence d’eau liquide dans le bois au-dessous du PSF. L’IRM a permis d'identifier les éléments anatomiques où cette eau liquide pourrait être localisée. En outre, l'eau liée n’était pas répartie uniformément dans la structure du bois même à l’équilibre global, étant les tissus plus denses plus hygroscopiques que les plus légers. Les deux techniques ont révélé que l'anatomie du bois joue un rôle majeur dans le drainage et diffusion de l'eau. Le deuxième volet a étudié l'effet de quatre taux de désorption sur le comportement dimensionnel du bois d’Eucalyptus saligna dans une gamme de teneurs en humidité couvrant tout le domaine hygroscopique. Des taux de désorption plus lents ont entrainé des retraits plus élevés, mais ces différents taux n’ont pas changé la pente des courbes retrait-Héq. Le collapse du bois fut plus important pour les taux de désorption plus lents et il fut plus grand dans la direction tangentielle. Le PSF établi par l’extrapolation de la portion linéaire des courbes retrait-Héq ne s’est pas montré adéquat pour des espèces sujettes au collapse. Enfin, les résultats ont montré le phénomène de début de perte d'eau liée avant que toute l'eau liquide soit drainée. / The main purpose of this work was to study the changes in the physical properties and in the wood-water relations of four hardwood species below and above the fiber saturation point (FSP). Two tropical, one temperate and one plantation grown species with high variable anatomical structure were investigated. In the first part of this work, samples of all species were destined to three desorption conditions at 21°C from full saturated state or from green condition until reach equilibrium moisture contents (EMC) below the FSP. The water state and the distribution of liquid and bound water were analysed by nuclear magnetic resonance and magnetic resonance (MR) microimaging. Transverse relaxation times T2 showed entrapped liquid water below the FSP. The MR microimaging study allowed identifying in which anatomical elements this water could be located. Also, bound water was not uniformly distributed in wood structure even at a global EMC, being the denser tissues more hygroscopic than the lighter ones. Both techniques revealed that wood anatomy plays a major role in water drainage and diffusion. The second part of this work was dedicated to study the effect of four desorption rates on the dimensional behaviour of Eucalyptus saligna wood under a range of moisture contents covering the whole hygroscopic domain. Slower desorption rates implied higher shrinkages, but these different rates have not affected the slope of shrinkage-EMC curves. The collapse of Eucalyptus saligna wood was more important for slower desorption rates and it was greater in the tangential direction. The FSP determined by the extended linear portion of the shrinkage-EMC curves revealed to be not adequate for collapse-prone species. Finally, the results indicated the phenomenon of the beginning of the loss of bound water before all liquid water has been drained.

La présente recherche a pour objectif l’étude de la variabilité intra-arbre des propriétés physico-mécaniques et chimiques ainsi que celle de la durabilité naturelle du bois de Wamba (Tessmania africana) à partir d’échantillons prélevés de deux arbres, à trois niveaux de hauteur (DHP, mi-hauteur et sous la cime) et deux positions radiales (aubier et duramen). Les résultats ont montré des valeurs moyennes de retrait total dans le duramen de l’arbre 1 de 4,76, 7,40, et 12,51 % pour les retraits radial, tangentiel et volumique respectivement. Ces retraits se sont révélés très similaires dans le duramen des deux arbres avec une progression croissante de la base du tronc vers la cime. L’aubier a donné des moyennes légèrement inférieures. La masse volumique basale du bois de Wamba s’est avérée sensiblement la même dans les deux arbres avec respectivement pour l’aubier et le duramen de l’arbre 1 des valeurs de 677 kg/m3 et 712 kg/m3. Les valeurs correspondantes de la masse volumique anhydre furent de 762 et 812 kg/m3. À l’instar du retrait, la masse volumique augmente de la base du tronc vers la cime dans le duramen et atteint une valeur maximale à mi-hauteur dans l’aubier. Les résultats ont également permis d’observer une corrélation très significative entre la masse volumique basale et le retrait tangentiel total. Les valeurs moyennes du module d’élasticité en compression longitudinale furent de 15,6 GPa dans l’aubier et de 18,6 GPa dans le duramen. Celles de la contrainte maximale furent de 65,2 MPa dans l’aubier et 79,9 MPa dans le duramen. Les composés phénoliques ont montré des corrélations allant de significatives à très significatives avec les propriétés mécaniques. Hormis les pentosanes, le test de Student n’a signalé aucune différence significative de la concentration des constituants primaires dans les positions radiale et longitudinale. L’analyse des minéraux n’a détecté aucune présence de silice. La moyenne globale de teneur en extraits après sommation des rendements à l’éthanol-toluène et à l’eau chaude dans l’arbre 1 a donné 10,1 % dans le duramen et 7,5 % dans l’aubier, et des valeurs très similaires dans l’arbre 2. Les teneurs en polyphénols déterminées par spectroscopie UV sont plus importantes dans le duramen, particulièrement à mi-hauteur. L’analyse GC-MS des phytostérols a indiqué la présence de gamma-sitostérol, stigmastérol et de la bétuline, trois molécules intéressantes avec des activités anti-inflammatoires, antivirales, anti-VIH et hépato-protectrices. Les composés phénoliques expliqueraient en grande partie la résistance aux pourritures du duramen du bois de Wamba trouvé comme très durable. / The aim of the present research is to study the intra-tree variability of the physico-mechanical and chemical properties as well as the natural durability of Wamba wood (Tessmania africana) from specimens taken in two trees at three levels of height (DHP, mid-height and under the crown) and two radial positions (sapwood and heartwood). The results showed mean values of total shrinkage in the heartwood of tree 1 of 4.76, 7.40, and 12.51% for radial, tangential and volumetric shrinkages respectively. The shrinkage values were very similar in the heartwood of the two trees with an increasing progression from the base of the trunk towards the crown. Sapwood gave slightly lower mean values. The basic density of Wamba proved to be about the same in both trees with respectively for the sapwood and heartwood of tree 1 mean values of 677 and 712 kg/m3. The corresponding mean values for the oven-dry density were 762 and 812 kg/m3. As for the shrinkage variation, the density increases from the base of the trunk towards the crown in heartwood and reaches a maximum value at mid-height in sapwood. The results also made it possible to observe a very significant correlation between the basic density and the total tangential shrinkage. The mean values of the modulus of elasticity in longitudinal compression were 15.6 GPa in sapwood and 18.6 GPa in heartwood. Those of the maximum compressive stress were 65.2 MPa in sapwood and 79.9 MPa in heartwood. The phenolic compounds showed correlations going from significant to very significant with the mechanical properties. Except for pentosans, the Student test carried out on the primary components of the wood Wamba did not show any significant difference in their concentration in the radial and longitudinal positions. The analysis of minerals did not detect any presence of silica. The total average content of extractives after sequence extraction with ethanol-toluene and hot water in tree 1 gave 10.1% in heartwood and 7.5% in sapwood, and very similar values in tree 2. The polyphenol contents determined by UV spectroscopy are more important in heartwood, particularly at mid-height. GC-MS analysis of phytosterols indicated the presence of gamma-sitosterol, stigmasterol and of betulin, three interesting molecules for their anti-inflammatory, antiviral, anti-VIH, and hépato-protective activities. The phenolic compounds would mainly explain the decay resistance of the heartwood of Wamba, which was found as very durable.

Dans la fabrication de panneaux de fibres, le pressage à chaud est une étape fondamentale, car elle a une haute influence sur la performance du panneau fini. La modélisation du pressage permet de prédire les principales variables qui ont un effet direct sur le développement du profil de masse volumique selon l’épaisseur pendant le pressage, soit la température, la teneur en humidité et la pression de la vapeur. L’interaction des mécanismes de transfert chaleur- masse ainsi que le changement des conditions internes de l’ébauche de fibres rend souvent leur étude complexe. Établir et bien caractériser les relations entre les propriétés physiques de l’ébauche de fibres pendant le pressage permet d’acroître la précision des prédictions faites par les modèles mathématiques. Ce projet de recherche a été consacré à l’étude des phénomènes de transfert de la chaleur et de la masse dans les ébauches de fibres de bois. Ainsi, la perméabilité au gaz, la conductivité thermique et la porosité ont été déterminées à cinq niveaux de masse volumique pour trois différentes tailles des fibres afin d’évaluer la relation entre ces propriétés et le niveau de densité locale de l’ébauche de fibres durant le pressage. En plus, l’effet de la taille des fibres sur les propriétés déjà mentionnées a été d’ailleurs évalué. La perméabilité au gaz a été déterminée à quatre niveaux de pression d’entrée : 50 kPa, 100 kPa, 150 kPa et 200 kPa sur d’échantillons conditionnés à 65% d’humidité relative et une température de 21°C. Le débit d’air à travers l’épaisseur de l’échantillon a montré de glissement moléculaire. La conductivité thermique a été mesurée par la méthode du steadystate thermal resistance, en utilisant un gradient de 1,6°C mm-1 sur d’échantillons avec une teneur en humidité de 7,6% (s=0,3). La porosité a été calculée par analyse d’image de coupes minces par la méthode du contraste de la couleur noir et blanc. Cette méthode utilise des images obtenues à partir de coupes minces extraites de panneaux de fibres fabriqués sans profil de masse volumique selon l’épaisseur. La perméabilité au gaz, la conductivité thermique et la porosité obtenues dans ce travail de recherche ont été entre 2,16 x10-13 et 5,96 x10-12 m2; 0,05 et 0,15 W m-1 K-1 et 0,44 et 0,93 respectivement, dans un intervalle de masse volumique de 198 kg m-3 et 987 kg m-3. Les résultats indiquent que la masse volumique est, en effet, une variable significative par rapport aux propriétés physiques de l’ébauche étudiées. Une chute importante de la perméabilité au gaz a été observée autour de 598 kg m-3 de masse volumique. Ceci a un impact important lors du pressage à chaud lorsque la densité locale de l’ébauche des fibres est autour de cette valeur. En outre, la taille des fibres est un facteur dominant sur la conduction de la chaleur et la structure poreuse de l’ébauche. Étant donné les résultats actuels, l’impact de la taille des fibres sur la conductivité thermique et la porosité a été significatif. Cependant, la taille des fibres n’a pas eu un effet statistiquement significatif sur la perméabilité au gaz. En conséquence, il n’y a pas eu d’éléments suffisants dans cette étude pour affirmer que la taille des fibres a un impact significatif sur la pression de la vapeur de gaz produite lors du pressage. / In panel manufacturing, the hot-pressing process is a fundamental step because it has a great influence on final product quality. Hot-pressing modeling allows predicting the main variables that it has a direct effect on the development of density profile through the thickness during hot pressing, namely temperature, moisture content and vapour pressure. The study of the heat and mass transfer and mat internal conditions is complex owing to their interaction and changing conditions. Establish and characterize properly the relations between fiber mat physics properties during hot-pressing process it allows to increase the accuracy of predictions made by mathematic model. This research project was conducted in order to study the mass and heat transfer phenomena in fiber mat. Thereby the gas permeability, thermal conductivity and porosity were determined to five density levels and three different fiber sizes in order to evaluate the relationship of these properties and densification level representing the local density though the fiber mat thickness during the hot-pressing process. Furthermore, fiber size effect on these properties already mentioned has been evaluated. Gas permeability was determined to four-inlet pressure: 50 kPa, 100 kPa, 150 kPa et 200 kPa on specimens conditioned to 65% of relative humidity and 21C of temperature. During gas permeability measurements, the air flux though the disk thickness showed slip flow. Thermal conductivity was measured using a gradient of 1,6°C mm-1 on specimens with a moisture content of 7.6% (s=0,3). Mat porosity measurements were performed using the white-black color contrast method. This procedure use images taken from layers impregnated with acrylic resin, which were extracted previously from panels with homogeneous density, profile through the thickness. Gas permeability, thermal conductivity and porosity obtained in this research work were between 5.96 x10-12 and 2.16 x10-13 m2; 0.05 - 0.15 W m-1 K-1 and 0.44 - 0.93 respectively in a range of 198 kg m-3 and 987 kg m-3 of density. The results indicated that the mat density was, in fact, a significate variable in relation to the physical properties of fiber mat considered in this study. Additionally, the fiber size was a dominant factor on heat conduction and porous structure of the fiber mat. Given these results, the fiber size had anoticeable effect on both mat properties thermal conductivity and porosity. Conversely, the fiber sizes studied had no significant effect on gas permeability. Hence, there was not enough evidence to affirm that the fiber size has a significant impact on vapour pressure produced during the hot-pressing process.

Une nouvelle approche et un nouveau modèle rhéologique pour la modélisation du comportement hygro–thermo–mécanique du bois lors du processus de séchage sont proposés. Cette approche est basée sur la résolution des équations d’équilibre d’une poutre cantilever d’Euler–Bernoulli, sans faire aucune hypothèse sur le profil des contraintes dans l’épaisseur de la poutre. Un code numérique a été développé afin de prédire l’évolution des contraintes et des déformations d’une pièce de bois en flexion porte-à-faux à humidité constante ou variable. Ce code fut validé à partir d’un modèle rhéologique classique (modèle de Burger), où une solution analytique existe à humidité constante. Un nouveau modèle rhéologique global fut alors développé où sont pris en considération le retrait libre, la relation contrainte déformation instantanée (élastique), le fluage induit par le temps (fluage viscoélastique) et le fluage induit par la variation d’humidité (fluage mécanosorptif). La loi constitutive du modèle rhéologique est basée sur un comportement élasto-viscoplastique qui prend en considération l’apparition des gradients d’humidité dans le bois, l’effet du niveau de chargement ou de contrainte en introduisant un seuil de déformation plastique (non recouvrable), et aussi l’effet combiné de la charge et de la variation d’humidité en incluant le comportement mécanosorptif du bois au cours du séchage. Afin d’identifier les paramètres du modèle rhéologique, un dispositif expérimental de flexion en porte-à-faux a été mis en place. Des essais de fluage à 60°C à différents niveaux de charge, à différentes teneurs en humidité constantes, et au cours du séchage ont été réalisés sur le bois d’épinette blanche (Picea glauca (Moench.) Voss.) en direction radiale. Les propriétés élastique, viscoélastique, viscoplastique et mécanosorptive de l’espèce utilisée obtenues expérimentalement ont été reproduites par simulation. La correspondance satisfaisante obtenue entre les résultats de simulation et les résultats expérimentaux confirme la validité de l'approche et du modèle rhéologique proposés pour les conditions expérimentales considérées dans ce travail. / A new approach and rheological model for modeling the hygro-thermo-mechanical behaviour of wood during drying process are proposed. This approach is based on the resolution of equilibrium equations of Euler-Bernoulli cantilever beam without any assumption on stress distribution through the thickness. A numerical code was developed to predict stress and deformation evolution of wood cantilever at constant and variable moisture conditions. This code was validated using a classical rheological model (Burger model), where analytical solution exists at constant moisture content. A new global rheological model was therefore developed where free shrinkage, instantaneous stress-strain relationships, time induced creep (viscoelastic creep) and mechano-sorptive creep are taken into account. The constitutive law is based on an elasto-viscoplastic model that takes into account the moisture content gradient in wood, the effect of external load by introducing a viscoplastic deformation threshold (permanent strain), and also the combined effect of load and moisture content variation by adding the mechano-sorptive behavior of wood during drying. For the rheological model parameters identification, a cantilever experimental setup was used. Creep tests at 60°C, at different load levels, at different constant moisture contents, and during drying were carried out on white spruce wood (Picea glauca (Moench.) Voss.) in the radial direction. Thus, the elastic, viscoelastic, viscoplastic and mechano-sorptive properties obtained experimentally were reproduced by simulation. The good agreement between simulation and experimental results confirms the validity of the proposed numerical approach and the developed rheological model for the experimental conditions considered in this work.

L’objectif principal de cette thèse a été d’élargir les connaissances sur l’influence de la structure du bois sur ses propriétés physico-mécaniques. Huit espèces feuillues, trois tempérées et cinq tropicales, ont été étudiées dans le but d’avoir une plus grande diversité des caractéristiques anatomiques. Deux techniques expérimentales (solutions salines saturées et membrane poreuse sous pression) ont été utilisées pour la réalisation des essais de sorption à 25ºC. Celles-ci ont été couplées avec des tests de propriétés physiques et mécaniques du bois. Des analyses de résonance magnétique nucléaire (RMN) ont été réalisées dans le but de dissocier les différents types d’eau durant la désorption d’humidité. Les caractéristiques de la structure du bois ont été déterminées par des essais d’anatomie quantitative et de porosimétrie au mercure (PM). Le présent travail a montré qu’à l’équilibre de sorption, le retrait du bois a commencé avant que le point de saturation des fibres (PSF) soit atteint. Les changements de résistance mécanique en compression tangentielle ont aussi débutés avant le PSF. Ces résultats indiquent que la perte de l’eau liée a lieu en présence de l’eau liquide; cette dernière resterait principalement dans les éléments les moins perméables du bois, soit les rayons ligneux. L’humidité d’équilibre à laquelle débute la perte de l’eau liée a varié largement selon l’espèce de bois et a donc été influencée par la structure du bois. Des analyses de RMN ont confirmé que, même à l’équilibre, l’eau liquide est présente à des humidités bien en-dessous du PSF. Les résultats de RMN ont donc corroboré l’hypothèse selon laquelle, en condition d’équilibre d’humidité, il existe un domaine d’humidité où la perte de l’eau liée a lieu en présence de l’eau liquide. À hautes teneurs en humidité d’équilibre, les courbes de désorption ont largement varié selon les espèces étudiées. Les résultats d’anatomie quantitative et de PM se sont montrés utiles à la compréhension de l’influence de la structure du bois sur les relations eau-bois. D’autre part, les propriétés dimensionnelles du bois ont largement varié selon les espèces. Les espèces tempérées ont eu un retrait plus élevé que les espèces tropicales à une masse volumique comparable. Finalement, la présente thèse fournit des informations sur des aspects fondamentaux des relations eau-bois, lesquelles se révèlent très importantes pour une meilleure utilisation de ce matériau. / The main objective of this work is to improve the knowledge of the influence of the wood structure on its physical and mechanical properties. Three temperate and five tropical hardwoods were studied in order to have a high diversity of anatomical properties. Two experimental techniques (saturated salt solutions and pressure membrane method) were used to perform moisture sorption tests at 25ºC. These sorption tests were combined with physical and mechanical property measurements. The nuclear magnetic resonance (NMR) technique was used in order to separate different components of water in wood during desorption. The porous structure of these hardwoods was characterized by mercury intrusion porosimetry (MIP) and by quantitative anatomical analyses. The results showed that at equilibrium moisture content, radial, tangential and volumetric shrinkage, as well as changes in transverse strength, occur above the fiber saturation point (FSP). This result indicates that the loss of bound water takes place in the presence of liquid water. This remaining liquid water would be entrapped on the least permeable tissue elements (ray parenchyma). The initial equilibrium moisture content (EMC) at which bound water starts to be removed varied largely among wood species. The NMR results confirmed that, even at equilibrated conditions, a region exists where the loss of liquid water and bound water take place simultaneously. This region will vary according to the wood structure. Liquid water was present at EMC values lower than the fiber saturation point, which contradicts the concept of this point. At higher values of relative humidity the desorption curves largely varied among species. Quantitative anatomical and MIP results were useful to a better comprehension of the influence of wood structure on the wood - water relationships. Concerning the dimensional properties, a large variation of the shrinkage values was observed among the species studied. Temperate species had larger shrinkage values and the basic density was not correlated with shrinkage when temperate and tropical values were analyzed together. Finally, the present work gives information about fundamental aspects of wood – water relationships, which are important for a better utilization of this material.

Dans un édifice à ossature légère, ce sont les diaphragmes et les murs de refend qui transfèrent les charges latérales à la fondation par cisaillement et par résistance au soulèvement. L’utilisation d’ancrage de retenue verticale permet de limiter le renversement et d’améliorer ainsi la résistance latérale du système. Par contre, ces ancrages sont rarement utilisés dans les constructions en ossature légère traditionnelles rendant généralement leur résistance inconnue. Un des facteurs limitant le renversement des murs partiellement ancrés est l’action des charges verticales. Une étude a été réalisée à l’Université Laval dans le but de déterminer l’influence des charges verticales appliquées au mur sur sa performance latérale. Les essais consistaient en 43 tests statiques et cycliques effectués sur des murs en ossature légère à échelle réelle avec et sans ancrage de retenue verticale. Les murs avaient une hauteur de 2,44 m et une longueur de 2,44 ou 4,88 m et étaient revêtus de panneaux OSB sur un côté. Trois intensités de charge de gravité ont été appliquées aux murs non ancrés : poids d’un toit, poids d’un étage et poids à appliquer pour prévenir tout renversement (correspondant à un mur ancré). Trois murs de 4,88 m avec ancrage ont été testés sous le poids d’un étage. Une série de contrôle de chaque configuration a été réalisée sans charge verticale selon les normes de l’ASTM. Les résultats ont démontré que l’application de charges verticales permet d’augmenter la résistance maximale des murs non ancrés peu importe le protocole de chargement. Une comparaison entre les différentes méthodes de calcul de la résistance latérale des murs soumis à des charges combinées a été faite avec une vérification expérimentale. Les résultats ont démontré que la méthode donnée dans CSA-O86 demeure conservatrice pour de faibles charges verticales, mais semble surestimer la capacité latérale d’environ 10% à des charges plus élevées. La méthode proposée par Källsner et al. est la plus conservatrice. Dans l’ensemble, les méthodes donnent une estimation raisonnable de la capacité des murs non ancrés utilisée en pratique. Le calcul de la flèche proposé par CSA-O86 a également été vérifié. Selon les résultats obtenus, ce calcul semble surestimer la rigidité des murs non ancrés. Afin de rester conservateur, une note devrait être ajoutée à la définition de la déformation des clous, en, mentionnant que la charge par clou doit être celle qui serait observée pour un mur ancré. Cette formulation est basée sur l’hypothèse que tous les clous dans le bas des panneaux atteingnent leur capacité ultime. Finalement, il a été observé qu’une augmentation de la charge verticale diminue le soulèvement des montants d’extrémité et augmente alors le travail des clous en périphérie. Une plus grande rotation des panneaux par rapport à l’ossature est alors observée. / In light-frame buildings, it is diaphragms and shear walls that transfer the lateral forces to the foundation through shear and hold-down restraint. The use of hold-down anchoring devices limits the overturning and therefore improves the lateral resistance of the system. However, these anchors are rarely used in the traditional light-frame construction and the lateral resistance of such systems is largely unknown. One of the factors limiting the overturning of partially restrained walls is the action of the vertical loads. A study was performed at the Laval University aiming at the determination of the influence of the vertical load applied to a wall on its lateral performance. The experimentation program consisted of 43 static and cyclic racking tests on full-size light-frame walls with and without hold-downs. The walls were 2.44-m tall and 2.44-m and 4.88-m long fully sheathed with OSB panels on one side. Three intensities of the vertical dead load were applied to walls without hold-downs: roof load, one storey load and load needed to prevent any overturning (corresponding to a fully restrained wall). Three 4.88-m long walls with hold-downs were tested under one storey load. Control specimens of each configuration were tested without vertical load according to relevant ASTM standards. Results show that application of vertical loads improves maximum capacity of non-anchored walls regardless the load protocol. A comparison of various methods of calculation of the lateral resistance of walls under combined loads was done using experimental verification. The results show that the CSA-O86 method is conservative for low vertical loads, but seems to overestimate the lateral capacity up to 10% for higher loads. The Källsner method is the most conservative. Overall, the design methods give reasonable estimate of the capacity of non-anchored walls used in practice. The calculation of the wall deflections proposed by CSA-O86 was also verified. This formula seems to overestimate the rigidity of non-anchored walls. To stay conservative, a note should be added to the definition of nail deformation, en, indicating that the load per nail should be the one observed for an anchored wall. This formulation is based on the assumption that all sheathing-to-bottom plate nails reach its ultimate capacity. Finally, it was observed that increasing the vertical load decreases the amount of uplift of the chords and therefore increases the work of the nails along the perimeter of the panel, which allows greater rotation of the panels about the frame.

Ce projet de maîtrise est réalisé sous la direction d’André Bégin-Drolet et Pierre Blanchet dans le cadre de la Chaire de recherche industrielle CRSNG – Canlak en finition des produits du bois d’intérieur (CRIF). L’objectif principal est de fournir des connaissances permettant de guider les processus de densification et d’augmentation de la dureté des lames de plancher d’ingénierie pour une production à l’échelle industrielle afin de rendre les planchers plus durables et résistants. La revue de littérature a, dans un premier temps, permis de conclure que l’imprégnation sous vide est la méthode de densification de surface la plus rapide et efficace dans le cas du bois. Les modèles discutés, dont celui de Fito et al.[1], ainsi que des modèles de mécanique des fluides, ont révélé les paramètres d’imprégnation optimaux. Parmi ceux-ci, il y a la viscosité de la formulation d’imprégnation qui doit être la plus faible possible afin de maximiser la pénétration dans les pores du bois. Le liquide s’imprègne en venant combler les pores du bois puis il se fige grâce à la polymérisation, rendant ainsi le bois plus durable. Dans un deuxième temps, il est proposé de faire de l’imprégnation sous vide en continu et de façon automatisée. Deux prototypes réels ont été conçus afin de confirmer les paramètres d’imprégnation choisis ainsi que de trouver une séquence d’opération. Finalement, un prototype automatisé permettant de faire l’imprégnation de planches de plancher d’ingénierie est présenté. Celui-ci est évalué à 125000$ pour les coûts totaux de fabrication et confère une cadence de production de 0.7 m²/s. / This master's project is carried out under the direction ofAndré Bégin-Drolet and Pierre Blanchet as part of the CRSNG – Canlak en finition des produits du bois d’intérieur (CRIF). The main objective is to provide knowledge to guide the densification and hardness increase of engineered floorboards of industrial scale production in order to make floors more durable and resistant. The literature review initially concluded that vacuum impregnation is the fastest and most effective method of surface densification for wood. The models discussed, including that of Fito et al.[1], as well as fluid mechanics models, revealed the optimal impregnation parameters. These include the viscosity of the impregnation formulation, which should be as low as possible in order to maximize penetration into the wood pores. The liquid impregnates by filling the pores of the wood and then sets through polymerization, making the wood more durable. In a second step, it is proposed to carry out vacuum impregnation continuously and automatically. Two real prototypes have been designed in order to confirm the chosen impregnation parameters as well as to find a sequence of operation. Finally, an automated prototype allowing the impregnation of engineering floor boards is presented. It is evaluated at $125,000 for total manufacturing costs and gives a production rate of 0.7 m²/sec.