L'épinette blanche (Picea glauca [Moench] Voss) est l'une des essences les plus importantes pour l'industrie forestière au Canada et son bois est apprécié pour diverses utilisations. De nombreuses études nous permettent de prédire des pertes de la qualité du bois avec l'utilisation accrue d'arbres provenant de plantations et en raison d'une sélection génétique axée uniquement sur la croissance. L'amélioration génétique et la biologie moléculaire pourraient être appliquées pour sélectionner des arbres ayant un ensemble de propriétés plus désirables et ainsi neutraliser la perte de qualité du bois. L'objectif de cette thèse était de déterminer les paramètres génétiques essentiels à cette tâche, notamment, l'héritabilité et les corrélations des principales propriétés du bois chez l'épinette blanche. Dans la présente étude, des carottes de bois ont été récoltées de 375 arbres couvrant 25 familles issues de pollinisation libre et venant d'un test de provenance-descendances répété sur trois sites dans la province de Québec. Avec le système SilviScan des profils de haute résolution ont été obtenus de la moelle à l'écorce pour différentes propriétés du bois liées à la force mécanique (par exemple, la densité du bois et la rigidité) et à l'anatomie des cellules (dont l'épaisseur de la paroi et le diamètre cellulaire). Des analyses statistiques ont indiqué un contrôle génétique modéré à élevé pour les propriétés du bois, surtout dans le bois initial. Les valeurs d'héritabilité étaient généralement plus basses dans les cernes près de la moelle et dans le bois final. Il n'y a que le contrôle génétique de l'angle des microfibrilles (AMF) qui ne variait pas significativement entre les cernes. La plupart des corrélations génétiques et phénotypiques entre différentes propriétés étaient basses près de la moelle mais augmentaient avec l'âge et se stabilisaient au niveau du bois de transition. Les fortes corrélations observées entre le bois juvénile et le bois de transition permettent d'anticiper une sélection précoce efficace à l'âge cambial de 8 à 10. Nos observations indiquent un très bon potentiel pour la sélection précoce de l'AMF autour de l'âge 4 ; mais l'AMF est un critère de sélection peu pratique en raison de son coût élevé. En plus, la sélection directe des propriétés mécaniques serait limitée par un contrôle génétique faible à modéré. Notre étude montre qu'une approche efficace pour maîtriser ce problème est l'amélioration indirecte de la rigidité en effectuant une sélection par indice incluant la densité du bois et la longueur des carottes. Il semble aussi difficile d'améliorer simultanément les propriétés mécaniques du bois et les propriétés anatomiques des fibres liées à la fabrication des pâtes et papiers, en raison des corrélations fortement défavorables. Les résultats de cette thèse contribueront à rendre l'amélioration génétique des propriétés du bois plus accessible et plus efficace. Ils permettront à long terme de mieux valoriser les bois d'épinette blanche issus des plantations futures.

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.

La valeur du panier de produits des peuplements résineux dépend des dimensions et du défilement des tiges, de la présence de défauts internes, mais aussi des propriétés physiques et mécaniques du bois, principalement de la rigidité du bois, puisque le bois d’œuvre résineux est utilisé essentiellement à des fins structurales. La rigidité du bois d’œuvre résineux est estimée en usine lors du classement visuel ou mécanique des sciages. En forêt, cette connaissance n’existe pas et il n’est pas possible aujourd’hui de localiser les régions ou les peuplements avec un fort potentiel de bois rigide, ni d’évaluer la valeur des bois ou encore de comparer la rentabilité des scénarios sylvicoles, en considérant ce critère de qualité déterminant. Cette absence de connaissances s’explique principalement par les efforts et les coûts considérables associés à la réalisation d’un inventaire de la qualité de la fibre, lequel suppose en effet l’échantillonnage de milliers d’arbres et des analyses en laboratoire très exigeantes. C’est dans ce contexte que la spectroscopie proche infrarouge a été évaluée, comme technologie rapide et non destructive, pour mesurer les propriétés physiques et mécaniques du bois. Dans un premier temps, nous avons évalué la variabilité écogéographique des propriétés du bois de l’épinette noire pour les deux principales végétations potentielles de la forêt boréale aménagée du Québec (chapitre 1). Nous avons observé que le bois poussant dans les peuplements purs d’épinettes noires avait des fibres matures plus longues, un bois significativement plus dense et de meilleures caractéristiques mécaniques que le bois poussant dans des peuplements mélangés avec le sapin baumier. Une approche de modélisation par saut d’échelle, basée sur des mesures de cernes provenant de 3350 placettes d’inventaire, a permis d’améliorer la performance de tous les modèles, en expliquant, à l’échelle du peuplement, 47%, 57%, 63% et 63% de la variabilité de la densité du bois, du module d’élasticité, de l’angle des microfibrilles, et de la longueur des fibres matures, avec des erreurs quadratiques moyennes, de 8.9 kg/m³, 0.52 GPa, 0.60° et 0.06 mm respectivement. Nous avons ensuite évalué le potentiel de la spectroscopie proche infrarouge pour mesurer les propriétés du bois de l’épinette noire (chapitre 2). De bonnes et d’excellentes statistiques de calibration (R², rapport de la performance à l'écart) ont été obtenues pour la densité basale (0.85, 1.8), l’angle des microfibrilles (0.79, 2.2), et le module d’élasticité (0.88, 2.9). Une régression segmentée a également été appliquée au profil radial de l’angle des microfibrilles afin de déterminer l’âge de transition du bois juvénile au bois mature. Les valeurs obtenues avec SilviScan ont été comparées à celles obtenues par spectroscopie. L’âge moyen de transition (23 ans ± 7 ans) a été légèrement sous-estimé, par spectroscopie proche infrarouge, avec une erreur de prédiction moyenne de −2.2 ± 6.3 ans et des intervalles de confiance à 95% de −14.6 et 10.1. Ces résultats suggèrent que l’âge de transition du bois juvénile au bois mature peut également être prédit par spectroscopie proche infrarouge. Finalement, la spectroscopie proche infrarouge a été utilisée pour évaluer la variabilité régionale de la densité basale et de la rigidité du bois des principales essences boréales du Québec (épinette noire, sapin baumier, pin gris, bouleau à papier et peuplier faux-tremble) (chapitre 3). Un système automatisé a été développé à cette fin et calibré à partir de données SilviScan. La densité basale et la rigidité du bois ont été estimées sur 30159 carottes de bois provenant de 10573 placettes d’inventaire. Les observations de densité et de rigidité étaient spatialement autocorrélées sur de plus longues distances chez les feuillus que chez les résineux. Un gradient latitudinal uniforme relié au climat était apparent pour le bouleau à papier et le peuplier faux-tremble. La distribution spatiale de ces mêmes propriétés n’était pas uniforme chez les résineux, suggérant une adaptabilité environnementale plus restreinte en comparaison aux essences feuillues étudiées. Cette thèse présente de grandes avancées dans le développement d’une méthode d’inventaire de la qualité de la fibre au Québec. La variabilité régionale de la densité et de la rigidité du bois est maintenant connue pour les principales essences boréales du Québec. Les prochains travaux porteront sur l’estimation de ces propriétés à l’échelle du peuplement forestier. / The value of forest products from softwood stands depends on stems volume and taper, internal defects, but also on physical and mechanical wood properties, especially stiffness, since softwood lumber is primarily used for structural purposes. The lumber stiffness is evaluated in sawmills through visual or mechanical gradings. In forest, this knowledge does not exist and it is not possible to locate the regions or the forest stands with a high lumber stiffness, neither to evaluate the value of forest products and the economic profitability of forest management scenarios considering this key attribute. This lack of knowledge is mainly due to substantial investments associated with an inventory of wood fibre quality, which involves the sampling of thousands of trees and very demanding laboratory tests. It is in this context that the near-infrared spectroscopy was evaluated as a rapid, non-destructive method for estimating physical and mechanical wood properties. Ecogeographic variation in black spruce clear wood properties was first investigated for the two main vegetation types of the managed boreal forest of the province of Quebec (chapter 1). Wood growing in pure black spruce stands had longer mature fibers, a significantly denser wood with better mechanical characteristics than the wood growing in stands mixed with balsam fir. A scaling-up modeling approach, based on ring data from 3,350 inventory plots, has improved the performance of all models, explaining, at the stand level, 47%, 57%, 63% and 63% of variance in wood density, modulus of elasticity, microfibril angle and mature fiber length with estimated root mean square errors of 8.9 kg/m³, 0.52 GPa, 0.60° and 0.06 mm respectively. The potential of near-infrared spectroscopy to determine the transition from juvenile to mature wood in black spruce was then assessed (chapter 2). Good to excellent calibration statistics (R², ratio of performance to deviation) were obtained for basic density (0.85, 1.8), microfibril angle (0.79, 2.2), and modulus of elasticity (0.88, 2.9). Two-segment linear regressions were applied to microfibril angle profiles to determine the transition age. The values obtained using SilviScan data were compared with those obtained using near-infrared spectroscopy predicted data. The average transition age (23 years ± 7 years) was slightly underestimated by near-infrared spectroscopy with a mean prediction error (and 95% limits of agreement) of -2.2 ± 6.3 years (-14.6/10.1). These results suggest that the transition age from juvenile to mature wood could be predicted by near-infrared spectroscopy. Finally, the near-infrared spectroscopy was used for estimating the regional variation in wood density and stiffness for the main boreal species of Quebec (black spruce, balsam fir, jack pine, paper birch, trembling aspen) (chapter 3). An automated near-infrared system was developed for this purpose and calibrated using SilviScan data. Basic density and wood stiffness were estimated on 30,159 increment cores from 10,573 inventory plots. The observations in wood density and stiffness were spatially autocorrelated on longer distances in hardwoods than softwoods. A uniform latitudinal gradient related to climate was observed in paper birch and trembling aspen. Conversely, spatial distribution in wood density and modulus of elasticity was not uniform in softwoods, suggesting a more limited environmental adaptability in comparison to the hardwood species studied. This thesis has made major advances in the development of a method for inventorying wood fibre quality in Quebec. Regional variation in wood density and stiffness is now known for the main boreal species of Quebec. Future work will focus on estimating these properties at the forest stand level.

Cette étude a évalué l’influence de la température et de la teneur en humidité du bois sur son comportement mécanique lors du procédé d’obtention des copeaux papetiers. Les propriétés mécaniques qui furent étudiées sont le cisaillement parallèle au fil, le fendillement et la flexion statique. Des échantillons jumelés du duramen et de l’aubier ont été pris des billes d’épinette noire et de sapin baumier pour chaque propriété mécanique. Les essais mécaniques ont été conduits à des températures variant entre -30ʻC et 20ʻC et à des intervalles de 10ʻC. La teneur en humidité des échantillons était largement au-dessus du point de saturation des fibres. La teneur en humidité, la masse volumique basale et la largeur des cernes ont aussi été mesurées pour chaque échantillon. Les résultats montrent que, pour les deux espèces et pour toutes les propriétés mécaniques étudiées, la température a eu un effet significatif sur les propriétés mécaniques uniquement au-dessous de 0ʻC. Dans ce cas, cet effet a été plus évident pour l’aubier que pour le duramen. En général, pour des températures de 0ʻC et plus, la température n’a pas affecté différemment les propriétés mécaniques étudiées, autant pour l’aubier que pour le duramen. Le fendillement a été la propriété mécanique la plus sensible à la variation de la température, suivi par le cisaillement et le MOR et le MOE en flexion. En outre, la teneur en humidité a été l’élément le plus important pour expliquer les propriétés mécaniques au-dessous de 0ʻC. En revanche, pour les températures de 0ʻC et plus, la masse volumique basale fut le facteur principal pour expliquer les propriétés mécaniques. La largeur des cernes de croissance n’a pas constitué un élément significatif pour prédire aucune propriété mécanique. Les résultats de ce travail devraient servir à améliorer la performance des équarrisseuses-fragmenteuses autant en hiver qu’en été.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2005-2006 / L’objectif de cette étude fut d’établir l’effet de la teneur en humidité d’équilibre et de la température sur les constantes élastiques du bois d’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.). La méthode de six éprouvettes fut utilisée pour déterminer les constantes élastiques à huit conditions hygrothermiques, soit à quatre teneurs en humidité (7%, 13%, 17% et au-dessus de la saturation des membranes) et à deux niveaux de température (30°C et 50°C). Les mesures de déformabilité ont été faites en compression axiale. La déformation axiale fut mesurée avec un capteur linéaire Sangamo DG1.0 (LVDT). La déformation transverse fut mesurée avec un capteur extensométrique à demi–anneau (CEDA). Les résultats ont indiqué que la déformabilité du bois augmente au fur et à mesure que son humidité d’équilibre augmente. De plus, pour une même humidité d’équilibre, le bois devient plus déformable à mesure que la température s’élève de 30°C à 50°C. / The objective of this research was to study the influence of the equilibrium moisture content (EMC) and temperature on the mechanical properties of black spruce wood (Picea mariana (Mill.) B.S.P.). The six specimen technique was used to determine the elastic parameters under eight hygrothermal conditions: four EMC (7%, 13%, 17% and above the fiber saturation point) at two temperatures (30°C and 50°C). Measurements were made in axial compression tests. Axial strain was measured using a Sangamo DG1.0 linear displacement sensor (LVDT). Transverse strain was measured using two semi-ring extensometers. The results show than wood deformability increases as EMC and temperature increase. Furthermore, at the given EMC, wood deformability increases as temperature increases from 30°C to 50°C.

Les lames de plancher d’ingénierie (LPI) sont des composites multicouches à base de bois. La structure en couches croisées est conçue pour donner aux LPI une bonne stabilité dimensionnelle pendant les changements de conditions environnementales. Toutefois, pendant la saison d’hiver en Amérique du Nord, l’humidité relative dans les habitations peut descendre de façon significative et générer une déformation en tuilage de LPI importante. L’amplitude de cette déformation dépend des propriétés physiques et mécaniques de chaque couche et du changement d'humidité. Le contreplaqué est largement utilisé comme substrat dans la fabrication de LPI. L’industrie canadienne des lames de plancher utilise couramment le contreplaqué de bouleau baltique (CBB [russe et finlandais]) dans leurs constructions de LPI haut de gamme. L’objectif général de ce projet de doctorat était de développer un panneau OSB (Oriented Strand Board) spécial afin de remplacer le contreplaqué utilisé comme substrat dans la fabrication de LPI. Les objectifs spécifiques de ce travail de recherche étaient de développer un panneau OSB spécial en vue d’être utilisé comme substrat dans les LPI, de fabriquer et évaluer des prototypes de LPI en utilisant ce substrat, de comparer les propriétés de ces prototypes avec celles d’autres LPI usuels et de caractériser les contraintes développées dans les LPI jusqu’à l’apparition des délaminations. Des panneaux OSB composés de trois couches ont été fabriqués à partir de deux types de lamelles de bois : un mélange de 90% de peuplier faux-tremble (Populus tremuloides Michx.) et 10% de bouleau à papier (Betula papyrifera Marsh.) et 100% de pin ponderosa (Pinus ponderosa Dougl. ex Laws.). Une expérience factorielle a été utilisée pour évaluer l’effet de trois facteurs de fabrication sur les propriétés des panneaux. Les facteurs choisis ont été la teneur en adhésif, le profil de densité et le rapport entre les couches de surface et la couche médiane. Afin de choisir les meilleures combinaisons de trois facteurs, des tests de flexion, de cohésion interne et de gonflement en épaisseur ont été effectués pour chaque type de panneaux. Des prototypes de LPI ont été fabriqués en utilisant comme substrat : l’OSB grade sheating, l’OSB web stock, le contreplaqué russe et les deux types de panneaux d’OSB spéciaux. Ces prototypes ont été testés dans une chambre de conditionnement. Les constructions de LPI ayant un substrat en contreplaqué russe ont présenté les plus faibles valeurs en tuilage. Des différences non significatives ont été observées entre les LPI utilisant comme substrat le contreplaqué russe et le panneau OSB fabriqué à partir du mélange peuplier/bouleau. Cependant, des délaminations dans le substrat en OSB ont été observées après le test en chambre de conditionnement. La modélisation par éléments finis a été utilisée afin de caractériser les contraintes développées dans le substrat de LPI pendant les changements de teneur en humidité. Les propriétés mécaniques et physiques du substrat en OSB nécessaires à la modélisation ont été déterminées expérimentalement sur des panneaux OSB avec un profil de masse volumique aplati. La modélisation par éléments finis a été réalisée à l’aide du code MEF++. Une bonne corrélation a été trouvée entre la déformation en tuilage de LPI mesurée en chambre de conditionnement et celle calculée par le modèle. Le champ de contraintes simulé correspond aux délaminations observées sur les échantillons de LPI. Les résultats obtenus, montrent la faisabilité d’utiliser le panneau OSB comme substrat dans la fabrication de LPI. / Engineered wood flooring (EWF) is a multilayer composite flooring product. The cross layered structure is designed to give EWF good dimensional stability under transient environmental conditions. However, during winter season in North America the indoor relative humidity could dramatically decrease and generate an important cupping deformation. The magnitude of this distortion depends on the physical and mechanical properties of each layer and moisture content changes. Baltic Birch Plywood (BBP [Russian and Finnish]) is widely used as substrate in the high quality EWF products, especially by Canadian manufacturers. The overall objective of this study was to develop an oriented strand board (OSB) as a substitute for the plywood used as a substrate for EWF. The specific objectives of this project were to develop a special OSB formulation to be used as a substrate for EWF; to manufacture and evaluate the EWF prototypes made with this substrate, to compare the prototype properties with those of commonly-used EWF; and to characterize the stresses developed in the substrate until delamination appears. Three-layers oriented strand boards were manufactured from two types of strands: a mixture of 90% aspen (Populus tremuloides Michx.) and 10% paper birch (Betula papyrifera Marsh.), and 100% ponderosa pine (Pinus ponderosa Dougl. ex Laws.). The OSB panels were fabricated following a factorial design of three resin contents, two vertical density profiles, and three weight ratios of the face and core layers. In order to choose the best combinations of the three factors, tests to determine bending properties, density, internal bond and thickness swelling were performed for each type of panel. Prototypes of EWF were made using five types of substrates: BBP, sheathing grade OSB, web stock OSB and the two prototypes of specialty OSB panels. The tests in conditioning chamber showed that BBP substrate constructions present the lowest distortion between humid and dry conditions. There were no significant differences in the distortion measured for BBP and aspen/birch OSB substrates. However, delaminations were observed in the OSB substrate after the test in conditioning chamber. A finite element model was used in order to characterize stresses developed in the EWF substrate in transient moisture content conditions. The physical and mechanical properties of OSB substrate were experimentally determined in laboratory on the OSB panels with a flat density profile. The finite element (FE) modeling was performed using the FE code MEF++. Good agreement has been found between the numerical and experimental EWF cupping deformation. The high stress regions in the distribution correspond to the delaminations observed on the OSB substrate. The results of this work demonstrate the potential of OSB to be used as substrate in EWF construction.

La recherche et le développement effectué sur les poutrelles en I à base de bois a souvent eu recours aux essais expérimentaux et à des méthodes empiriques. Le panneau OSB (oriented stand board – panneau de lamelles orientées) s’est révélé être adapté lorsqu’il est utilisé comme âme dans ces poutrelles. Cependant, notre compréhension du comportement de cette âme en OSB pourrait être améliorée afin de mieux comprendre le comportement de ces poutrelles et d’en optimiser le design. L’objectif général de cette étude était de développer un modèle numérique permettant de simuler le comportement des poutrelles en I à base de bois afin d’avoir une meilleure compréhension de l’impact des propriétés de l’âme sur l’ensemble du système. Cet objectif a été poursuivi en spécifiant les trois objectifs spécifiques suivants : • Identifier les propriétés mécaniques de l’âme qui devraient être déterminées de manière expérimentale en fonction de leur impact sur la déflection des poutrelles et sur les déplacements relatifs causés par le cisaillement dans l’âme. • Déterminer les propriétés mécaniques requises pour l’âme en OSB, ainsi que leur variabilité, dans le développement d’un modèle numérique simulant les poutrelles en I en flexion. • Déterminer l’impact de la variabilité des propriétés mécaniques de l’âme en OSB sur le comportement en flexion des poutrelles en I. Pour identifier les propriétés mécaniques de l’âme importantes à être déterminées, une étude de sensibilité d’un modèle numérique basé sur la méthode par éléments finis (MEF) a été effectuée. Les propriétés mécaniques de l’âme ont été changées tour à tour dans le modèle, passant de 50% à 200% d’une valeur de référence pour déterminer leur impact sur la déflection de la poutrelle et sur le déplacement relatif en cisaillement dans l’âme. Le modèle s’est révélé être avant tout sensible au module de cisaillement dans le plan du panneau en modifiant la déflection de la poutrelle jusqu’à 23%. Le modèle s’est aussi montré sensible aux modules d’élasticité en tension de l’âme en OSB en directions parallèle et perpendiculaire à la longueur des poutrelles. La déflection de la poutrelle a respectivement été modifiée de 2% et 1% lorsque ces propriétés ont étés modifiées. Pour déterminer les propriétés mécaniques de l’âme en OSB requises et précédemment identifiées comme importantes ou sensibles du modèle pour l’âme en OSB, une méthodologie a été élaborée afin de déterminer les relations qui relient certaines propriétés mécaniques de l’OSB en fonction de la masse volumique de petits échantillons . Des panneaux OSB (n=40) ont d’abord étés scannés par rayons X afin de mesurer la masse volumique et d’en cartographier la variation dans le plan du panneau. Des échantillons ont étés découpés à partir de zones de masse volumique homogène selon trois orientations différentes (parallèle, perpendiculaire et à 45° par rapport à l’axe fort du panneau) afin de mesurer trois propriétés mécaniques requises pour un modèle élastique simulant l’âme en OSB d’une poutrelle en I : Les modules d’élasticité (MOE) parallèle et perpendiculaire à l’axe fort du panneau et le module de cisaillement (G). Étant donnée la faible taille des échantillons, le module de cisaillement à été déterminé suivant une équation de la mécanique des solides en utilisant une combinaison de MOE en tension dans le plan, incluant le MOE à 45°. Les résultats ont montré une forte relation entre la masse volumique de l’OSB et les propriétés mécaniques : les coefficients de détermination (R2) variant de 0,57 à 0,79. Cela a fourni les informations nécessaires pour inclure les propriétés mécaniques de l’OSB en fonction de la masse volumique dans un modèle simulant l’âme des poutrelles en I. Basé sur les équations de régression linéaire entre les propriétés mécaniques et la masse volumique, des augmentations de 207% du MOE en tension dans la direction parallèle, de 187% dans la direction perpendiculaire et de 172% à 45° ont été obtenues en passant de 600 à 900 kg/m3. L’équation utilisée pour déterminer le module de cisaillement s’est révélée juste et fiable. Finalement, pour déterminer l’impact de la variabilité des propriétés mécaniques de l’âme en OSB sur le comportement en flexion des poutrelles en I, plusieurs séries de simulations ont été effectuées. En premier lieu, la flèche et les déplacements relatifs en cisaillement dans l’âme ont été comparés à des résultats de simulation considérant une âme homogène et des résultats d’essais en laboratoire. Les résultats de simulation se sont révélés être près de ceux du laboratoire avec des différences de déflection se situant entre 9 et 24%. Les déplacements relatifs en cisaillement ont cependant été surestimés par le modèle. Les différences étaient potentiellement dues à la variabilité locale de masse volumique et des propriétés physiques et mécaniques l’OSB. Cette variabilité a été spécifiée dans le modèle en se basant sur les relations entre la masse volumique et les propriétés mécaniques de l’OSB préalablement établies. Les résultats de simulation considérant la variabilité des propriétés ont étés comparés avec d’autres considérant l’OSB comme étant homogène. La distribution des déplacements relatifs en cisaillement a été modifiée dans tous les cas et la flèche a en moyenne légèrement augmenté (moins de 1%). En se basant sur la relation entre la masse volumique et les propriétés mécanique des panneaux OSB, l’effet du profil de masse volumique selon l’épaisseur du panneau OSB a été considéré dans la simulation. Une augmentation de la flèche de l’ordre de 1% a été observée ainsi qu’un déplacement latéral de la semelle inférieure lorsque le profil de masse volumique vertical a été pris en compte. Il ressort de cette étude que l’OSB, en tant que matériau, a des propriétés mécaniques grandement variables à une échelle relativement petite. Ces propriétés, dont la plus influente est le module de cisaillement dans le plan du panneau, n’ont cependant pas un impact majeur sur le comportement des poutrelles en I en flexion dans le domaine élastique. / Research and development of wood I-joist design has often relied on laboratory testing and on empirical approach. Oriented strand board (OSB) has been used successfully as web material but its behavior within the I-joist needs to better be defined in order to improve wood I-joist design. The overall objective of this study is to develop a model that would simulate the deflection and shear strain of a wood I-joist in bending and to develop a better understanding of the web properties impact on the overall I-joist bending behavior. This was pursued by specifying three specific objectives: • Identify web mechanical properties that should be determined experimentally due to their impact on I-joist deflection and shear strain. • Determine the OSB web mechanical properties, including their variability, required to develop a finite element model of wood I-joist bending behavior. • Determine the impact of OSB physical and mechanical properties variability on I-joists bending behavior. To determine which OSB properties have higher impact on I-joist shear strain and deflection, a sensitivity study was performed with a finite element method (FEM) based model. The OSB mechanical properties were changed in a numerical model from 50% to 200% of the reference value to determine their impact on web shear strain and I-joist deflection. The model was primarily sensitive to in-plane web shear stiffness, which changed I-joist deflection up to 23%. The model was also sensitive to the web tensile modulus of elasticity parallel and perpendicular to joist length. These properties changed I-joist deflection up to 2% and 1%, respectively. The important or sensitive OSB web mechanical properties were determined by a methodology developed to obtain reliable mechanical properties of I-joists OSB web, including variability. OSB panel samples were scanned by X-rays to measure in-plane density variation. Specimens were cut from pre-defined homogeneous density areas in three different orientations (parallel, perpendicular, and diagonal to the strong axis) to measure three basic elastic properties required for an elastic model of I-joists OSB web: modulus of elasticity (MOE) parallel and perpendicular to the panel’s strong axis and shear modulus (G). Given the required small specimen size, shear modulus was determined using a combination of in-plane tensile MOEs, including MOE at 45 degrees. The results showed a strong relationship between OSB density and small-scale mechanical properties: coefficients of determination (R2) varied between 0.57 and 0.79. This provided information on I-joist OSB web mechanical properties as a function of density for input into a numerical model. Properties showed considerable variability in the 600–900 kg/m3 density range, with a 207% increase in tensile modulus of elasticity in the parallel direction, 187% in the perpendicular direction, and 172% at 45°. The mechanics-based OSB shear modulus equation used proved to be reliable. Finally, to determine the impact of OSB mechanical properties variability on I-joists bending behaviour, a series of simulations were performed. The inclusion OSB web heterogeneous properties over wood I-joist behavior in bending was investigated. The shear strain in the web and the I-joist deflection from full scale experimental results were first compared with model output considering homogeneous OSB web. Results showed a good correlation between simulated and full scale experimental bending test results values with deflection differences ranging from 9 to 24%. However, the model overestimated the shear strain. These differences were potentially due to the OSB local variability of density and mechanical properties. Based on a previously established density/properties relationship and on web OSB in-plane density mapping, OSB property heterogeneity was considered in the model. Simulation results including heterogeneous OSB properties (n=100) were then compared with those considering homogeneous properties (n=100). Shear strain distribution was altered in the web and a small (less than 1%) increase in deflection was observed. Based on density measured across the OSB web thickness and on the established density/properties relationship, simulations were performed to evaluate the effect of the vertical density profile on the simulated I-joist. A 1% deflection increase was observed as well as a lateral displacement of the bottom flange.

Le secteur du bâtiment au Canada est responsable de plus de 16% des émissions de gaz à effet de serre (GES) et de 30% de la consommation énergétique. À l’échelle mondiale, cela s’élève à 30% pour les émissions de GES et à 40% en ce qui a trait à la consommation énergétique. Ce secteur a donc un rôle majeur à jouer dans la lutte aux changements climatiques et pour la transition énergétique. L’optimisation multi-objectif fait partie des méthodes de conception reconnues par les scientifiques pour son fort potentiel d’amélioration de la durabilité des bâtiments résidentiels et commerciaux. Depuis le début des années 90, son utilisation dans le domaine n’a cessé de s’accroitre. Des algorithmes d’optimisation sont en continuel développement afin de résoudre efficacement des problèmes de conception dont les exigences sont toujours plus complexes. L’objectif de cette thèse est donc de développer et d’évaluer une méthodologie d’optimisation pour la conception de bâtiments durables tenant compte simultanément d’un ensemble de variables hétérogènes et d’objectifs contradictoires. Les solutions proposées sont complémentaires aux recherches les plus avancées dans le domaine de l’optimisation multi-objectif. Dans un premier temps, une analyse de sensibilité globale est appliquée à 30 variables de conception influençant divers critères de performances relatifs à la consommation énergétique et au confort d’un bâtiment commercial. Trois méthodes d’analyse de sensibilité sont utilisées : Coefficients de régression standard, coefficients de régression partielle par le rang et les indices de Sobol. L’analyse des résultats montre que les 3 techniques mènent à des conclusions similaires. Le rang en ce qui a trait à l’importance des variables est semblable pour chacune des techniques et pour chacune des fonctions évaluées. Les principales interactions entre variables de conception ont été identifiées avec les indices de Sobol de second ordre. Cette première analyse permet d’éliminer certaines variables qui ont peu d’impact sur les critères de performances. De plus, un cadre de conception s’apparentant à une approche de conception traditionnelle a été adopté dans lequel des variables de conception sont définies de façon séquentielle. Une seconde analyse de sensibilité a été appliquée à chacune des phases du processus, en faisant l’hypothèse que les variables définies dans une phase antérieure ont une valeur fixe, soit celle du bâtiment réel. L’analyse des résultats démontre que les méthodes de conception séquentielles tendent à réduire la possibilité d’obtenir des solutions à faible consommation énergétique. Dans un deuxième temps, le problème d’optimisation suivant est formulé : la minimisation simultanée des émissions de gaz à effet de serre résultantes de la consommation énergétique d’un bâtiment résidentiel et de celles résultantes des matériaux de construction. Ce problème implique des variables se situant à différents niveaux hiérarchiques, dont certaines peuvent devenir obsolètes selon la valeur prise par une autre variable. Un algorithme considérant cette particularité est développé et comparé à l’algorithme NSGA-II. Des indicateurs de performances (e.g. convergence et diversité) montrent que les deux algorithmes parviennent à résoudre ce problème. L’analyse du front de Pareto confirme, dans le cas présent, que l’algorithme NSGA-II est finalement plus performant dans l’identification de solutions optimales. L’ensemble des solutions optimales obtenues se définit par des bâtiments utilisant une enveloppe en bois. De plus, le système de chauffage sélectionné pour chacune des solutions repose soit sur l’utilisation d’une pompe à chaleur, soit sur l’utilisation de radiateurs électriques. Finalement, l’étude de cas du bâtiment résidentiel est reprise afin d’évaluer la performance de deux modes de conception : processus de conception séquentiel et processus de conception intégré. Avec l’approche intégrée, 39 variables de conception reliées à l’architecture du bâtiment ainsi qu’aux systèmes CVAC-R sont optimisées simultanément. Dans l’approche séquentielle, les variables architecturales sont d’abord optimisées. Plusieurs solutions optimales sont alors sélectionnées pour la deuxième phase d’optimisation qui se focalisera sur des paramètres relatifs aux systèmes de chauffage. La minimisation de l’empreinte environnementale, du cout sur le cycle de vie et la maximisation du confort thermique sont optimisés simultanément par l’algorithme NSGA-II. Avec seulement 100 heures de temps de calcul, l’approche holistique a mis en lumière 59% des solutions optimales alors qu’il a fallu 765 heures pour trouver 41% des solutions optimales avec l’approche séquentielle. La comparaison démontre les effets négatifs et irréversibles qu’il y a dans la prise de décision dès les phases préliminaires de conception. La méthodologie proposée dans ces travaux de thèse permet donc d’augmenter l’efficacité à trouver des solutions optimales.