Le développement de produits du bois transformés ou à valeur ajoutée se présente comme une opportunité importante de tirer profit des ressources naturelles canadiennes et du savoir-faire de l'industrie de transformation des produits du bois. L'utilisation optimale de la ressource forestière en des produits transformés est une avenue s'inscrivant dans le concept de produits du bois à valeur ajoutée. Les lames de plancher d'ingénierie sont un exemple de cette situation. Le produit se compose d'une planchette de surface de grande qualité, d'un substrat et occasionnellement d'une couche de contrebalancement. Pour un composant de bois de 4/4 d'épaisseur destiné à la fabrication de lames de plancher traditionnelles en bois massif, 4 ou 5 planchettes de surface destinées à la fabrication d'autant de lames de plancher d'ingénierie seront produites. De plus, l'usage des bois de faible qualité comme substrat est possible et c'est l'approche qui a été favorisée dans ce travail. Le produit se démarque sur les marchés européen et américain. En 2002 aux États-Unis, ce sont 58 % des revêtements de sol en bois qui étaient des lames de plancher d'ingénierie. En Europe, en 2001, 73 % des revêtements de plancher en bois étaient des planchers d'ingénierie. Ces situations sont issues d'un contexte de croissance du produit depuis les 10 dernières années. Ce projet avait pour objectif général d'augmenter et de préciser la connaissance sur le comportement et les performances des planchers d'ingénierie fabriqués à base de matériaux canadiens et mis en service dans les conditions atmosphériques nord-américaines afin d'améliorer le design de ces planchers. Plus spécifiquement, ce projet avait pour objectifs : de développer des prototypes à base de matériaux canadiens et documenter leur comportement, d'établir les critères de performance des lames de planchers d'ingénierie, d'établir un modèle mécanique du comportement des parquets d'ingénierie et de définir les paramètres de design responsables de la bonne performance des parquets d'ingénierie à l'aide de différentes modélisations et de validations expérimentales. Dans un premier temps, des prototypes ont été réalisés et testés en chambres climatisées. À cette étape du projet, l'acquisition de connaissances sur le sujet était prioritaire. Incidemment, un critère de performance fut établi de même qu'une méthodologie pour faire la comparaison de la performance de différentes constructions de lames de plancher d'ingénierie. Le matériau utilisé comme substrat a eu un impact important sur la performance observée. L'utilisation d'une couche de contrebalancement a aussi eu un impact notable. Dans un second temps, l'approche de modélisation par la méthode des éléments finis fut utilisée pour obtenir des prédictions du comportement des lames de plancher d'ingénierie précédemment évaluées en laboratoire. Ainsi, certains paramètres moins bien documentés ont été modulés afin d'observer leur impact sur le modèle. Ensuite, les résultats expérimentaux de la construction faite de 4 mm d'épaisseur de couche de surface en érable à sucre, de 8 mm d'épaisseur de substrat en bouleau blanc et de 2 mm d'épaisseur de couche de contrebalancement en bouleau jaune ont été reproduits avec succès. Enfin, le modèle fut utilisé pour une étude de la géométrie et des espèces utilisées dans le substrat. Il est apparu que la nature du substrat est importante. Plus les propriétés mécaniques du matériau augmentent, moins importante est la déformation de tirant à c?ur, le principal critère de performance. L'épaisseur du substrat est apparue également comme un levier important afin de contrôler la déformation dans les lames de plancher d'ingénierie.

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.

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.