Le but de l'étude consistait à prédire le comportement viscoélastique longitudinal du bois vert dans la période correspondant à la vie d'un arbre et d'explorer la diversité de ces propriétés. Le travail s'est déroulé en deux temps. Une analyse exploratoire des propriétés vibratoires a été effectuée sur un large échantillon incluant divers types de bois, y compris des bois de réaction, issus de dix espèces tropicales. Dans un deuxième temps, une sélection restreinte des échantillons a été utilisée pour une étude approfondie du comportement en fluage à long terme. Par ailleurs, la relation avec les paramètres structuraux tels que densité, angle des microfibrilles et pourcentage des éléments anatomiques a été étudiée. Une procédure d'évaluation du fluage à long terme a été mise au point à partir d'essais à différentes températures. L'occurrence du vieillissement physique suite au refroidissement consécutif au chauffage au dessus de la température de transition vitreuse du bois a été mise en évidence. L'applicabilité du principe d'équivalence temps-température a été remise en question par l'analyse des résultats dans le plan complexe approché (PCA). L'hypothèse supplémentaire de la dépendance de la complaisance initiale à la température, similaire à l'élasticité entropique des polymères amorphes, a été proposée et appliquée, permettant de prédire avec succès le comportement à long terme à partir d'essais courts. Le fluage thermoactivé, ainsi que le phénomène de vieillissement physique, ont été décrits par un modèle de Maxwell parabolique identifié à partir de la représentation des résultats dans le PCA. Le comportement en fluage est apparu non corrélé au coefficient d'amortissement mesuré lors des essais vibratoires, suggérant une dissociation entre les mécanismes rhéologiques qui contrôlent le comportement viscoélastiques aux échelles de temps acoustiques (quelques centaines de Hertz) et biologiques (plusieurs années). Enfin, l'hypothèse d'un effet prépondérant de la lamelle mitoyenne sur le processus de fluage a été suggérée pour expliquer les faibles corrélations observées entre le fluage relatif et la structure des parois cellulaires.

Au travers de ce travail de thèse, nous nous sommes fixé comme objectif, de rechercher des solutions pour augmenter la durée de service des outils de coupe du bois, plus spécialement ceux utilisés en première transformation (usure prématurée et ébréchures des arêtes de coupe). Les améliorations apportées à ces outils en laboratoire proviennent des modifications de surfaces par applications de films durs en couches minces (CrN en l'occurrence) ou bien par traitements thermochimiques (nitruration ionique basse température). Par ailleurs, afin de vérifier l'effet des modifications d'outils sous des conditions réelles d'utilisation, nous avons réalisé du déroulage et fraisage industriel de bois vert, avec des couteaux modifiés en surface par des traitements classiquement utilisés (TiN, CrN, DLC et duplex (nitruration + dépôt dur)). Ces tests d'usinage ont été réalisés dans le cadre d'un projet européen CRAFT. Au regard des résultats obtenus, nous avons ensuite débuté le développement de nouveaux films ternaires (CrAlN et ZrBN) pour un éventuel emploi en usinage du bois. La modification de la géométrie par pré-rodage de l'arête de coupe des couteaux réalisée grâce à un traitement mécanique de sablage a également été étudiée. Pour réaliser cette étude un grand nombre d'équipements de caractérisations physicochimiques et tribologiques des films a été utilisé ainsi que des machines de laboratoire et industrielles d'usinage du bois.

D'origine biologique, le bois présente des propriétés fortement variables rendant sa caractérisation parfois complexe. Une meilleure connaissance du comportement rhéologique et en particulier des propriétés viscoélastiques du bois est nécessaire au développement ainsi qu'à l'amélioration des processus de transformation et de fabrication de matériaux à base de bois utilisant ces propriétés.<br />Ainsi, l'objectif majeur de cette thèse est de caractériser le comportement différé du bois vert dans des conditions thermiques et hydriques contrôlées. Un dispositif expérimental parfaitement adapté aux spécificités du bois, et en particulier à son anisotropie et son hygroscopie, a été développé. Cet appareil, appelé WAVET (Environmental Vibration Analyser for Wood) assure la détermination des propriétés viscoélastiques du bois par des essais harmoniques en flexion simple encastrement pour des fréquences comprises entre 5.10-3 Hz et 10 Hz. Dimensionné pour fonctionner jusqu'à des pressions de l'ordre de 5 bars, il permet d'effectuer des essais en milieu anhydre ou saturé pour des températures variant de 0°C à 140°C. <br />Les résultats expérimentaux collectés à l'aide de cet appareil sur diverses essences tempérées permettent de mettre en évidence l'influence de nombreux paramètres sur les propriétés rhéologiques et notamment au niveau de la température de ramollissement, à savoir l'essence, la direction matérielle, le type de bois (normal/réaction), ou encore la structure anatomique et macromoléculaire. <br />L'étude de la dégradation thermique du bois saturé en eau dévoile des modifications biochimiques importantes au sein de ce biopolymère. Il apparaît clairement que les propriétés de rigidité et d'amortissement du bois traité thermiquement en milieu aqueux évoluent en fonction de la sévérité du traitement et de la structure native des macromolécules constitutives.

L'objectif de cette thèse est de développer des panneaux de contreplaqué collés à l'état vert à destination des coques et de l'agencement de bateaux. La technologie du moulage sous vide est choisie pour former des panneaux constitués de plis de pin Maritime déroulés non séchés et collés à l'aide d'un adhésif polyuréthane. Une étude approfondie été réalisée dans le but de fixer les paramètres de collage permettant aux contreplaqués de répondre aux exigences requises dans la construction navale. L'influence des paramètres de fabrication du panneau sur ses propriétés mécaniques est déterminée à partir d'un plan d'expériences. La teneur en eau et le grammage d'adhésif appliqué sont particulièrement étudiés. Le comportement mécanique des différents échantillons de contreplaqué a été caractérisé grâce à des tests normalisés de cisaillement et des tests de flexion. Des mesures de mouillabilité ainsi que des observations microscopiques des joints ont permis de mieux comprendre les résultats mécaniques, et d'expliquer les phénomènes physico-chimiques mis en jeu. Le matériau retenu à partir de cette étude est mis en œuvre dans un démonstrateur, pour validation du procédé utilisé.

Le déroulage permet de transformer un billon en un ruban continu de bois vert (de 0.6 à plus de 3 mm d'épaisseur) appelé "placage". La production de placages joue un rôle important dans l'industrie du bois car les placages servent de base d'un grand nombre de produits industriels (ex : Parallel Strand Lumbers (PSL), Laminated Veneer Lumber (LVL), contreplaqués, emballages légers, etc.) parmi les plus utilisés dans l'industrie du bois. Pour certaines essences, ce procédé exige un prétraitement, appelé " l'étuvage " qui consiste à chauffer au préalable le bois vert (saturé en eau) par immersion dans l'eau ou dans la vapeur d'eau chaude afin de lui conférer une déformabilité remarquable tout en diminuant les efforts de coupe. Cette pratique présente cependant de nombreux inconvénients industriels et environnementaux (fentes à cœur, faible rendement, dépense énergétique importante, pollution des eaux, fentes à cœur, traitement immobilisant des stocks de bois importants pour des longues périodes,...).L'objectif de cette étude est de développer une innovation majeure pour les industries du déroulage et du tranchage, visant à remplacer les pratiques d'étuvage par une technologie de chauffe embarquée sur les machines de production. La technologie de chauffe par rayonnement infrarouge a été retenue pour sa facilité de mise en place sur la machine (panneaux rayonnants peu encombrants) et sa rapidité à atteindre des températures source élevées pouvant ainsi suivre les cadences de déroulage rapides exigées par les industriels (de 1 à 5 m.s-1). Cette nouvelle technologie utilisant les infrarouges pour chauffer le bois vert avant le déroulage serait une innovation majeure pour les industries impliquées dans la fabrication du contreplaqué, LVL, etc.Pour ce faire, l'étude a été conduite en quatre temps:-Elaboration d'un modèle numérique permettant la simulation de la chauffe de bois ronds déroulé avec différents paramètres du bois (humidité, propriétés thermiques),-Caractérisations thermique et optique du bois vert (en termes de profondeur de pénétration et de capacité d'absorption des rayonnements infrarouge) pour alimenter le modèle,-Validation du modèle par des essais de déroulage avec chauffe embarquée.L'apport majeur de cette étude est d'avoir démontré que la pénétration des rayonnements infrarouge dans le bois se limite à quelques dizaines de micromètres. La propagation de la chaleur jusqu'au plan de coupe situé à quelques millimètres sous la surface s'effectue donc par conduction, mode de transfert de chaleur lent dans le cas du bois aux propriétés isolantes remarquables. La chauffe embarquée semble donc inadaptée face aux cadences de déroulage imposées par les industriels. L'utilisation d'une telle technologie dans le cas du tranchage reste à étudier et en particulier l'impact de l'absence d'étuvage par immersion sur la qualité des placages (couleur, état de surface).

Les arbres sont capables de modifier l'orientation de leurs branches et de leur tronc par la production asymétrique de bois précontraint. Il existe des modèles biomécaniques développés pour simuler ces mouvements, mais ils ne simulent pas correctement le redressement (ou mouvement gravitropique) de jeunes arbres à l'échelle de temps intra-annuelle. La méconnaissance de la cinétique de maturation et des propriétés mécaniques du bois vert est responsable de ces résultats. Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour objectifs de caractériser le comportement mécanique du bois vert au cours de sa maturation, et de développer un modèle biomécanique qui puisse simuler quantitativement le gravitropisme de jeunes peupliers. Des comportements mécaniques non-linéaires sont révélés par des essais de traction cycliques sur de fines lamelles de bois vert. Ils sont quantifiés par une grandeur mécanique liant rigidité et déformation. Des essais de flexion réalisés sur des planchettes renseignent quant à eux sur l'évolution intra-cerne du module élastique. Ces campagnes d'essais montrent une augmentation puis une diminution du module au cours de la maturation des cellules. Des essais de fluage indiquent que le comportement viscoélastique du bois vert se modélise par un modèle de Burgers. Les propriétés viscoélastiques du bois vert sont ainsi déterminées. Les propriétés mécaniques obtenues sont utilisées dans un modèle biomécanique développé pour modéliser l'évolution spatio-temporelle des propriétés. Le gravitropisme de jeunes peupliers est alors modélisé grâce à la prise en compte du comportement viscoélastique du bois vert, de la maturation continue des cellules, et de la variation des déformations de maturation au cours de la saison de végétation.

Le déroulage permet de transformer un billon en un ruban continu de bois vert (de 0.6 à plus de 3 mm d'épaisseur) appelé “placage”. La production de placages joue un rôle important dans l'industrie du bois car les placages servent de base d'un grand nombre de produits industriels (ex : Parallel Strand Lumbers (PSL), Laminated Veneer Lumber (LVL), contreplaqués, emballages légers, etc.) parmi les plus utilisés dans l'industrie du bois. Pour certaines essences, ce procédé exige un prétraitement, appelé « l'étuvage » qui consiste à chauffer au préalable le bois vert (saturé en eau) par immersion dans l'eau ou dans la vapeur d'eau chaude afin de lui conférer une déformabilité remarquable tout en diminuant les efforts de coupe. Cette pratique présente cependant de nombreux inconvénients industriels et environnementaux (fentes à cœur, faible rendement, dépense énergétique importante, pollution des eaux, fentes à cœur, traitement immobilisant des stocks de bois importants pour des longues périodes,…).L'objectif de cette étude est de développer une innovation majeure pour les industries du déroulage et du tranchage, visant à remplacer les pratiques d'étuvage par une technologie de chauffe embarquée sur les machines de production. La technologie de chauffe par rayonnement infrarouge a été retenue pour sa facilité de mise en place sur la machine (panneaux rayonnants peu encombrants) et sa rapidité à atteindre des températures source élevées pouvant ainsi suivre les cadences de déroulage rapides exigées par les industriels (de 1 à 5 m.s-1). Cette nouvelle technologie utilisant les infrarouges pour chauffer le bois vert avant le déroulage serait une innovation majeure pour les industries impliquées dans la fabrication du contreplaqué, LVL, etc.Pour ce faire, l'étude a été conduite en quatre temps:-Elaboration d'un modèle numérique permettant la simulation de la chauffe de bois ronds déroulé avec différents paramètres du bois (humidité, propriétés thermiques),-Caractérisations thermique et optique du bois vert (en termes de profondeur de pénétration et de capacité d'absorption des rayonnements infrarouge) pour alimenter le modèle,-Validation du modèle par des essais de déroulage avec chauffe embarquée.L'apport majeur de cette étude est d'avoir démontré que la pénétration des rayonnements infrarouge dans le bois se limite à quelques dizaines de micromètres. La propagation de la chaleur jusqu'au plan de coupe situé à quelques millimètres sous la surface s'effectue donc par conduction, mode de transfert de chaleur lent dans le cas du bois aux propriétés isolantes remarquables. La chauffe embarquée semble donc inadaptée face aux cadences de déroulage imposées par les industriels. L'utilisation d'une telle technologie dans le cas du tranchage reste à étudier et en particulier l'impact de l'absence d'étuvage par immersion sur la qualité des placages (couleur, état de surface). / In the wood-products industry ‘peeling' is the process of converting a log into a continuous thin ribbon of green wood (from 0.6 to more than 3 mm thickness) termed veneer. Veneers are mainly used for manufacturing light weight packaging and Engineer Wood Products (EWP) such as plywood, Laminated Veneer Lumber (LVL) and Parallel Strand Lumbers (PSL). These three latter EWPs manufactured from veneers glued and pressed together, are amongst the most used wood products. That is the reason why the production of veneer plays an important role in the wood-products industry. For certain species, the peeling process requires the prior heating of round green-wood to temperatures ranging from 30 to 90 °C. This treatment is necessary to increase wood deformability, to reduce the severity of lathe checking in the veneers and to reduce cutting forces. It is usually done by immersion in hot water or by steam treatment. However it has many disadvantages amongst which are the duration of treatment (12 to 72 hours), the washing out of polyphenolic extractives - which causes water pollution and can affect wood's natural durability - low yield and energy losses.The goal of this PhD thesis was to develop a heating system embedded on the peeling lathe to circumvent many of these disadvantages. Infrared technology appears to be the most promising solution because of the ease of integration into the peeling process and of the power it offers, enabling the required heating temperatures to be achieved quickly and follow the highly demanding peeling speeds in use in the industry (from 1 to 5 m.s-1). This new technology, using radiant energy to heat green-wood prior to peeling, would be a major innovation for the industries involved in the production of plywood, Laminated Veneer Lumber (LVL), etc.The plan to achieve this goal consisted of:- Creating a model of infrared heat transfer in green wood while peeling it, with the characteristics of wood (moisture content, thermal properties) being amongst the input variables,-Investigating the thermal and optical characteristics of green wood (in terms of penetration depth and infrared absorption by green wood) to feed the model,-Validating the model with experimental peeling tests assisted by an infrared heating system.One of the main outputs of this study was to demonstrate that the penetration depth of infrared radiation into green wood is limited to several tenths of micrometers. Heat transfer into green wood up to the cutting plane (located several millimeters underneath the surface) is by conduction, which is slow due to the insulating properties of wood. Heating green wood with infrared radiation is therefore unable to match the highly demanding peeling rates in use in the industry today. However, the use of an embedded heating system in the case of slicing and the potential impact on improving veneer quality (colour, surface quality) remain open for further research.

L’objectif de cette thèse est de développer des panneaux de contreplaqué collés à l’état vert à destination des coques et de l'agencement de bateaux. La technologie du moulage sous vide est choisie pour former des panneaux constitués de plis de pin Maritime déroulés non séchés et collés à l'aide d'un adhésif polyuréthane. Une étude approfondie été réalisée dans le but de fixer les paramètres de collage permettant aux contreplaqués de répondre aux exigences requises dans la construction navale. L’influence des paramètres de fabrication du panneau sur ses propriétés mécaniques est déterminée à partir d’un plan d'expériences. La teneur en eau et le grammage d'adhésif appliqué sont particulièrement étudiés. Le comportement mécanique des différents échantillons de contreplaqué a été caractérisé grâce à des tests normalisés de cisaillement et des tests de flexion. Des mesures de mouillabilité ainsi que des observations microscopiques des joints ont permis de mieux comprendre les résultats mécaniques, et d'expliquer les phénomènes physico-chimiques mis en jeu. Le matériau retenu à partir de cette étude est mis en œuvre dans un démonstrateur, pour validation du procédé utilisé. / The subject of this work is the manufacturing of green-glued plywood panels for the interior and the plating of a ship. The vacuum-moulding process is chosen to produce panels by assembling maritime pine veneers in the wet state with polyurethane adhesive. A study has been done to fix the parameters for gluing so that the manufactured plywood can answer to the mechanical characteristics required by the shipbuilding sector. The effect of several gluing parameters on the panel's mechanical properties is determined by an experimental design method. The wood moisture content when gluing and the amount of adhesive applied are mainly studied. The plywood panels' mechanical characterisations are realised using standardised shear tests and bending tests. In addition to the mechanical tests, wettability measures and bond lines microscopic observations provide a better understanding of the physic-chemical phenomena of green wood gluing. The material defined in this study is implemented in a boat hull prototype.

Les arbres sont capables de modifier l’orientation de leurs branches et de leur tronc par la production asymétrique de bois précontraint. Il existe des modèles biomécaniques développés pour simuler ces mouvements, mais ils ne simulent pas correctement le redressement (ou mouvement gravitropique) de jeunes arbres à l’échelle de temps intra-annuelle. La méconnaissance de la cinétique de maturation et des propriétés mécaniques du bois vert est responsable de ces résultats. Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour objectifs de caractériser le comportement mécanique du bois vert au cours de sa maturation, et de développer un modèle biomécanique qui puisse simuler quantitativement le gravitropisme de jeunes peupliers. Des comportements mécaniques non-linéaires sont révélés par des essais de traction cycliques sur de fines lamelles de bois vert. Ils sont quantifiés par une grandeur mécanique liant rigidité et déformation. Des essais de flexion réalisés sur des planchettes renseignent quant à eux sur l’évolution intra-cerne du module élastique. Ces campagnes d’essais montrent une augmentation puis une diminution du module au cours de la maturation des cellules. Des essais de fluage indiquent que le comportement viscoélastique du bois vert se modélise par un modèle de Burgers. Les propriétés viscoélastiques du bois vert sont ainsi déterminées. Les propriétés mécaniques obtenues sont utilisées dans un modèle biomécanique développé pour modéliser l’évolution spatio-temporelle des propriétés. Le gravitropisme de jeunes peupliers est alors modélisé grâce à la prise en compte du comportement viscoélastique du bois vert, de la maturation continue des cellules, et de la variation des déformations de maturation au cours de la saison de végétation. / Trees are able to modify the orientation of their trunk and branches by asymmetrical production of prestressed wood. Biomechanical models designed to simulate these movements exist, but they cannot fit the righting-up movement (also called gravitropism) of young poplar trees at the intra-annual scale. The lack of knowledge of green wood maturation and mechanical properties is suspected to be responsible for this discrepancy. The aims of this study are to characterize mechanical properties of green wood during the maturation process, and to develop a biomechanical model that simulates quantitatively the gravitropism of young poplars. Nonlinear mechanical behavior is observed in cyclic tensile tests performed on thin lamellas of green wood. A relationship between stiffness and strain enables the characterization of this behavior. The intra-ring evolution of modulus of elasticity is measured using 3-points bending tests on small boards. Both of these experimental campaigns show that wood stiffness increases then decreases while cells are maturating. Creep tests show that green wood viscoelastic behaviour is described by a Burgers’ model. As a result, green wood viscoelastic properties are determined. These mechanical properties are used in a new biomechanical model designed for considering spatio-temporal evolutions of wood properties. Then the gravitropic movements of young poplars are simulated by considering viscoelastic behaviour of green wood, continuous maturation of cells, and variation of maturation strains along the growing season.

Les arbres, enracinés au sol, adaptent leur développement à leur environnement fluctuant et en particulier aux conditions mécaniques imposées en permanence par le vent. Les tempêtes des dernières décennies ont mis en lumière le rôle majeur, pour la survie à long-terme des arbres, du processus d’acclimatation aux contraintes mécaniques dues au vent. Au premier ordre, le vent exerce principalement des efforts de flexion répétés sur les branches et tiges des arbres qui tendent à osciller pendant les épisodes venteux. Ces flexions entrainent une modification de la croissance des arbres en hauteur, en diamètre ou au niveau du système racinaire mais également la formation d’un bois à l’anatomie et aux propriétés particulières ; lequel est désigné par le terme « bois de flexion ». Au cours de ces travaux de thèse, nous avons développé des dispositifs expérimentaux originaux nous permettant, d’une part, d’appliquer des traitements de flexions unidirectionnelles répétées sur des tiges de jeunes peupliers, en contrôlant l’amplitude des déformations appliquées à la tige, et d’autre part, de contrôler différents niveaux de stress hydrique. Les suivis de croissance pendant une saison de végétation complète ont montré que l’acclimatation mécanique des arbres est un processus qui, bien que très couteux en matière de construction de biomasse, s’avère primordial et se met en place même lors de conditions de stress hydrique sévère. De plus, nous avons pu démontrer que l’augmentation de biomasse liée à cette acclimatation s’effectue principalement dans les zones où les déformations tissulaires sont les plus fortes ; conduisant ainsi à des géométries de sections particulières qui accroissent considérablement la rigidité de flexion des tiges. Une modélisation mécanique par éléments finis a aussi permis de révéler que ces configurations issues de l’acclimatation conduisent à une meilleure répartition des contraintes mécaniques, en abaissant en particulier l’intensité des contraintes maximales de compression subies par le bois. Afin de descendre dans les échelles spatiales, nous avons développé des outils et des méthodes de caractérisation originaux qui ont permis de mesurer, au niveau tissulaire, l’impact des différents types de sollicitations (compression et/ou traction répétées), engendrées au cours d’une flexion de tige, sur les propriétés hydrauliques et mécaniques du bois vert ; tant du point de vue des propriétés usuelles (comportement élastique, conduction hydraulique) que du point de vue des fonctions de sécurité (rupture, sensibilité à la cavitation, …). Nous avons alors pu mettre en évidence le comportement singulier du bois formé sous sollicitations de compressions répétées qui montre en particulier une nette augmentation de sa capacité à subir des déformations importantes avec un endommagement très réduit. L’ensemble des résultats expérimentaux et de modélisation aux échelles tissulaires comme de l’organe entier, indique que les acclimatations de la croissance secondaire et des propriétés intrinsèques du matériau bois procurent un bénéfice mécanique pour la pérennité de l’arbre dans son environnement venteux fluctuant. / Trees, anchored in the ground, adjust their development to their fluctuating environment and particularly to the mechanical conditions daily imposed by wind. Storms of last decades enlightened that acclimation of trees to mechanical stresses due to wind is a vital requirement for their long-term survival. Wind mainly leads to repeated bending of the branches and stems of trees that swing during windy events. These bending cause a modulation of trees growth in height, in diameter or at the level of the root system but also imply the formation of a wood with specific anatomy and properties; this wood was defined as “Flexure wood”. In our work, we developed original experimental setups in order to apply a treatment of repeated unidirectional bending to the stem of young poplars, while controlling the magnitude of the strains applied to the stem. The setup controlled different levels of hydric stress too. The monitoring of the growth during a growing season showed that the mechanical acclimation is a process that, although costly in terms of biomass construction, turns out to be essential and takes place even under severe hydric stress. Besides, we demonstrated that the increase of biomass, linked to this acclimation, is mainly provided in the areas where tissue strains are the highest; leading to specific cross-section geometries that considerably increase the stem bending rigidity. A mechanical modelling using Finite Elements also enlightens that these configurations, due to acclimation, lead to a better distribution of mechanical stresses, especially by decreasing the intensity of maximal compressive stresses endured by wood. In order to investigate the microscopic scale, original experimental devices were developed at the tissue scale to measure the effect of different mechanical stresses (repeated compression and/or tension), applied by stem bending, on the hydraulic and mechanical properties of green wood; as much in terms of usual properties (elastic behaviour, hydraulic conduction) as in terms of security functions (rupture, sensibility to cavitation, …). Thus, we enlighten the specific behaviour of wood formed under repeated compressive stresses that shows a significant increase of its ability to withstand high levels of strains with a very reduced damaging. The whole experimental and modelling results, as much at the tissue scale as at the tree scale, points out that the acclimations of secondary growth and wood properties provide a mechanical benefit for tree sustainability in its fluctuating windy environment.