Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2008. / Titre de l'écran-titre (visionné le 9 mai 2008). Bibliogr.

Plusieurs modèles mathématiques ont étés développés au fil des ans pour prédire le comportement du panneau de fibres de bois MDF ¨medium density fiberboard¨ lors du pressage à chaud. Malgré les efforts déployés, bon nombre d’éléments spécifiques restent à préciser pour bien décrire l’ensemble des phénomènes physiques impliqués lors du pressage. Ce projet portait sur la détermination expérimentale de paramètres requis dans un modèle par éléments finis du pressage à chaud des panneaux de fibres de bois. Plus spécifiquement, le projet a porté sur la détermination et l’analyse de la conductivité thermique, de la perméabilité au gaz et de la porosité en fonction de la granulométrie, de la teneur en humidité, de la masse volumique et de la température du panneau MDF. Les panneaux utilisés dans le cadre du projet ont été fabriqués à partir de fibres d’épinette noire (Picea mariana), selon trois granulométries et cinq masses volumiques. Cette essence a été choisie car sa fibre constitue la majeure partie des panneaux MDF fabriqués dans l’Est du Canada. Les méthodes qui ont servi à l’évaluation de la perméabilité au gaz et de la conductivité thermique ont été éprouvées auparavant par d’autres chercheurs. Les résultats de perméabilité intrinsèque au gaz variaient de 1,0 x 10-11 m3air m-1panneau pour les panneaux d’environ 200 kg/m3 à 8,3 x 10-14 m3air m-1panneau pour des panneaux d’environ 800 kg/m3. Ces résultats ont permis de conclure que la taille des fibres n’a pas d’impact significatif sur la perméabilité au gaz. Par contre, la masse volumique s’est avérée significative lorsque mise en relation avec la perméabilité au gaz. En effet, plus la masse volumique augmente plus la perméabilité au gaz diminue, ce qui correspond à la littérature sur le sujet. Les résultats de conductivité thermique variaient entre 0,06 et 0,25 W/mºC selon la masse volumique, la taille des fibres et la teneur en humidité. Plus précisément, les travaux ont démontré que la conductivité thermique des panneaux de fibres MDF augmente avec la masse volumique, la teneur en humidité et la température jusqu’à un certain point comme le mentionne la théorie sur le sujet. On a relevé une différence significative de conductivité thermique entre la classe des grosses fibres par rapport celle des fines et moyennes. / Numerous mathematical models have been developed to predict the behaviour of medium density fiberboard panels (MDF) during the hot pressing process. However, despite these efforts, it still remains many parameters to define precisely in order to describe correctly the physical phenomena occurring during the hot pressing process. This project was focused on the determination of the parameters required for a finite element model of the MDF panels hot pressing process. More specifically, the project objectives were the determination and analysis of thermal conductivity and permeability in relation with different factors such as particle size, moisture content, density and temperature of the MDF panel. The MDF panels used for the project were made of black spruce fibers (Picea mariana) of three fiber sizes and five different densities. Black spruce (Picea mariana) fibers were chosen because they are used for the manufacture of most of the MDF panels produced in Eastern Canada. The methods chosen to determine gas permeability and thermal conductivity have been used by many other researchers. The results obtained show that fiber size has no significant impact on the gas permeability of MDF panels. However, density had a significant effect on gas permeability. Indeed, the higher the density, the lower the gas permeability which is in agreement with the literature on the subject. The results of thermal conductivity were between 0,06 and 0,25 W/mºC according to density, fibre size and moisture content. Precisely, the results have shown that the thermal conductivity of MDF panels increases with density, moisture content and temperature up to a certain point as the theory mentions. However, for thermal conductivity, a significant difference was noticed between the large fiber size class panels and the average and small fiber size class panels. The last two classes had a similar behaviour all along the test while the large fiber size panels behaviour was different for the variables studied.

L’objectif principal de cette étude est l’évaluation des systèmes de connexions pour les murs préfabriqués à ossature légère en bois, en vue de leur amélioration future. Les critères de performance considérés sont la résistance et la conformité aux exigences des codes du bâtiment Nord Américains pour les zones de grands vents et de séismes. Les systèmes de connexion évalués ont été choisis pour leur facilité d’installation et leur disponibilité à faible coût. Trois configurations de connexion pour joindre des segments de murs préfabriqués furent étudiées. Neuf tests de flexion et dix-huit tests statiques et cycliques de cisaillement des murs à l’échelle réelle furent réalisés. Les résultats des tests de flexion démontrèrent que la configuration de connexion utilisée pour connecter les segments de murs n’a pas d’influence importante sur la performance des murs assemblés. D’un autre côté, la fixation des murs à la fondation à l’aide des boulons permet d’atteindre plus de résistance et de rigidité. En moyenne, les murs assemblés résistèrent à des pressions équivalentes à 4.3 kPa, correspondant à une vitesse de vent de 232 km/h. Les résultats des tests de cisaillement indiquèrent que la configuration de connexion entre segments n’a pas d’influence significative sur la performance des murs assemblés. Par contre, les murs ancrés montrèrent le double de résistance par rapport aux murs non-ancrés. Ces derniers résultats furent comparés avec les résistances requises par la norme CSA-086. Les calculs indiquèrent que les valeurs expérimentales étaient en accord avec les exigences de la norme sauf pour la résistance maximale d’un mur non-ancré soumis au chargement statique. La modélisation numérique fut utilisée pour prédire la performance des murs sous conditions de charge de cisaillement dans le plan et en flexion perpendiculaire au plan du mur. Des essais auxiliaires sur des assemblages cloués et vissés fournirent les données d’entrée. Les modèles montrèrent des prédictions satisfaisantes pour l’identification des zones de rupture et pour le comportement non-linéaire des murs préfabriqués. L’information compilée permet de réaliser des analyses quantitatives des murs conventionnels et d’ingénierie. Cette information devrait être utile pour le développement des méthodologies de design pour les systèmes résistant aux forces latérales des maisons préfabriquées. / The objective of this research was the evaluation of connection systems for prefabricated light-frame wall-panels for potential improvement. The performance criteria were the resistance and compliance with North-American building codes for high-wind and seismic zones. The studied connection systems were chosen according to their ease of installation, low cost and availability. Three inter-segment connection configurations joining prefabricated wall segments were studied. Nine out-of-plane bending tests and eighteen static and cyclic racking tests were conducted on full-size walls. Results of bending tests indicate that the type of inter-segment connection did not influence the behaviour of the assembled walls. However, the attachment to the foundation with bolts allowed for reaching higher capacity and stiffness. On average, the assembled walls resisted pressures equal to 4.3 kPa, which corresponds to 232 km/h wind-speed. The racking tests results indicated that the configuration of inter-segment connection did not have a significant influence on the performance of wall assemblies. The walls with hold-down anchors showed a double resistance in comparison with walls without hold-downs. Shear capacities of tested walls were in close agreement with the design values specified in CSA-086 for shear walls except for one monotonic test of a non-anchored specimen. Finite element models were used to study the behaviour of walls assemblies subjected to in plane racking and out-of-plane bending loads. Auxiliary tests on nailed and screw connections provided input data for the model. Modeling results showed satisfactory predictions for identifying the failure zones and describing non-linear behaviour of prefabricated walls. The collected information contributes to a quantitative analysis of conventional and engineered light-frame walls. This information is crucial for the development of design methodologies for lateral load resisting systems of prefabricated houses.

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.

Les objectifs de cette étude ont été 1) d’améliorer la stabilité dimensionnelle des panneaux de fibres de densité moyenne (MDF) par trois traitements physico-chimiques: a) l’estérification, b) l’addition de polypropylène maléaté et c) le traitement à haute température; 2) de déterminer l’effet de ces traitements sur les propriétés mécaniques, les profils de masse volumique et les propriétés de mouillage des panneaux et 3) de déterminer les modifications chimiques suite aux traitements. Des panneaux MDF ont été produits à partir de fibres estérifiées à 5 % d’anhydride maléique. Le traitement a réduit le gonflement en épaisseur et l’absorption d’eau après 2 heures d’immersion dans l’eau. Toutefois, le traitement n’a pas amélioré les propriétés physiques dans les autres conditions. L’angle de contact en retrait a augmenté et l’absorption d’eau par capillarité a diminué suite au traitement. Des panneaux MDF ont été produits avec deux types d’adhésifs (urée-formaldéhyde et mélamine-urée-formaldéhyde) et trois concentrations de polypropylène maléaté (0, 3 et 5 %). Les photomicrographies ont montré la formation d’agglomérats de polypropylène maléaté à l’intérieur des panneaux. Le traitement a réduit le gonflement en épaisseur et l’absorption d’eau après immersion dans l’eau. La dilatation et la contraction linéaire ont augmenté. Le gonflement et le retrait en épaisseur en conditions d’adsorption et de désorption ont diminué. Le traitement a aussi amélioré les propriétés mécaniques ainsi qu’augmenté les angles de contact et diminué l’absorption d’eau par capillarité. La spectroscopie infrarouge n’a pas détecté de réactions chimiques entre les fibres et le polypropylène maléaté. Des panneaux MDF ont été produits à partir de fibres non traitées et de fibres traitées à la chaleur à 150 et 180oC pendant 15, 30 et 60 minutes. Le traitement a réduit le gonflement en épaisseur et l’absorption d’eau après immersion dans l’eau. Le gonflement en épaisseur après des cycles répétés d’humidité relative a augmenté alors que les autres propriétés mesurées dans les mêmes conditions n’ont pas changé. Les angles de contact ont augmenté et l’absorption d’eau par capillarité a diminué. La spectroscopie des photoélectrons a montré une légère réduction du ratio O/C et des changements du ratio C1/C2 pour les fibres traitées. / The objectives of this study were 1) to improve the dimensional stability of medium density fiberboards (MDF) by three physical or chemical treatments: a) esterification, b) maleated polypropylene wax and c) heat treatment; 2) to determine the effect of these treatments on the mechanical properties, vertical density profiles and wetting properties of the panels and 3) to determine the chemical modification following treatments. MDF panels were produced from fibers esterified with 5 % maleic anhydride. The esterification treatment showed a reduction in thickness swelling and water absorption after 2 hours water soaking independently of reaction time. However, the treatment did not improve the physical properties after 24 hours water soaking or after relative humidity repeated cycles. The receding contact angle increased while wicking decreased following esterification. MDF panels were produced from two resin types (urea-formaldehyde and melamine-urea-formaldehyde) and three maleated polypropylene contents (0, 3 and 5 %). Photomicrographs showed that maleated polypropylene forms agregates within the panels. The treatment showed an important reduction of thickness swelling and water absorption after water soaking. Linear expansion and contraction increased following treatment. Thickness swelling and shrinkage in adsorption and desorption conditions decreased following treatment. The treatment improved the mechanical properties. Advancing contact angles increased for panels treated and bonded with urea-formaldehyde. Receding contact angle increased with 5 % maleated polypropylene content while wicking decreased following the treatment independently of maleated polypropylene content. Infrared spectroscopy did not detect chemical reaction between the fibers and the maleated polypropylene. MDF panels were produced from untreated fibers and heat-treated fibers at 150 and 180oC for 15, 30 and 60 minutes. Heat treatment showed a reduction on thickness swelling and water absorption after water soaking. Thickness swelling increased after relative humidity repeated cycles. Linear expansion and contraction and springback were not improved by the treatment. The treatment showed no significant effect in the mechanical properties and vertical density profile of the panels. The advancing and receding contact angles increased while wicking decreased by the treatment. X-ray photoelectron spectroscopy showed slight decreases in O/C ratio and changes in C1/C2 ratio for heat-treated fibers.

Les différentes colles utilisées actuellement par l’industrie du meuble au Canada nécessitent des temps de polymérisation constituant un goulot dans la production des meubles et limitant l’atteinte de la production unitaire. Ces adhésifs synthétiques généralement issus de la pétrochimie nécessitent énormément d’énergie lors de leur confection. L’utilisation de connecteurs métalliques ou plastiques, quant à elle, limite les phases de découpage et sablage subséquentes. La présence d’adhésifs et connecteurs, considérés comme une source de contamination tant dans des procédés de valorisation par la filière énergétique que dans les procédés existants de recyclage des produits du bois, limite la recyclabilité du produit rendant sa gestion en fin de vie utile très difficile. L’assemblage de composants en bois par la technique de soudage par friction rotationnelle est une alternative intéressante aux colles et connecteurs métalliques dans l’industrie du meuble. Le soudage du bois permet d’offrir un produit minimisant l’impact environnemental d’une entreprise alors que ce mode d’assemblage ne constitue pas une contrainte à la gestion en fin de vie du produit. La recyclabilité ou revalorisation des assemblages soudés permet d’offrir un produit en mesure de séquestrer du carbone plus longtemps ou encore de ralentir la réémission de celui-ci dans l’atmosphère. Le présent projet de recherche visait à évaluer l’aptitude du soudage par friction rotationnelle pour la fabrication de panneaux lamellés-soudés à usage intérieur. L’objectif était de concevoir des panneaux aussi performants que leur équivalent collé tout en réduisant les coûts de conception en éliminant l’utilisation d’adhésifs synthétiques, conférant du même coup un aspect écologique et durable au produit. Les objectifs spécifiques du projet étaient: de déterminer les paramètres optimaux variables du soudage rotationnel pour deux essences feuillues canadiennes soit l’érable à sucre et le bouleau jaune; de caractériser les propriétés mécaniques des joints soudés ainsi que la stabilité dimensionnelle de panneaux lamellés-soudés; de procéder à la caractérisation de la zone de fusion afin de comprendre les phénomènes physico-chimiques en cause afin de les mettre en relation avec les performances mécaniques des assemblages; d’analyser les émanations volatiles produites lors du soudage afin d’évaluer l’impact environnemental de ce procédé. ii Ce projet de recherche à fait l’objet d’une collaboration avec FPInnovations, EQMBO-Entreprises et le Centre de recherche industrielle du Québec (CRIQ) qui a conçu et assemblé un banc d’essai spécifiquement pour le panneautage par le procédé de soudage rotationnel. Considérant cette collaboration, une tangente industrielle a été donnée à la méthodologie employée afin de répondre aux objectifs des partenaires. Le banc d’essai a d’ailleurs fait l’objet d’ajustements et d’améliorations tout au long du projet en vue de son optimisation pour un transfert de cette technologie en milieu industriel. Le matériel utilisé pour cette étude visait également à refléter la matière première utilisée chez les fabricants de produits d’apparence en bois. Le banc d’essai conçu par le Centre de recherche industrielle du Québec (CRIQ) a permis d’étudier l’effet de différents paramètres sur la qualité de soudage pour l’érable à sucre (Acer saccharum) et le bouleau jaune (Betula alleghaniensis). Les facteurs à l’étude étaient: l’essence (érable à sucre et bouleau jaune), la vitesse de rotation du goujon (1000 tours min-1, 1500 tours min-1 et 2500 tours min-1), la vitesse d’insertion du goujon (12,5 mm s-1, 16,7 mm s-1 et 25,0 mm s-1) et enfin l’angle d’insertion par rapport au fil du bois (insertion tangentielle à 0° par rapport au fil du bois et insertion radiale à 90° par rapport au fil du bois) pour un total de 36 combinaisons de facteurs. Dix répétitions pour chacune des combinaisons ont été effectuées pour un total de 360 soudages. Des essais mécaniques de traction appliqués à la zone de soudage ont permis de connaître les paramètres d’assemblage optimaux pour les deux essences considérées. Des mesures de température effectuées au moyen d’un système d’acquisition munis de thermocouples ont également été effectuées. Les résultats obtenus démontrent une interaction significative entre l’essence, la vitesse de rotation et la vitesse d’insertion. L’érable à sucre a permis de produire les joints soudés ayant les meilleures propriétés mécaniques en traction. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec une vitesse rotationnelle de 1000 tours min-1 tant pour l’érable à sucre que le bouleau jaune. Une vitesse d’insertion de 25,0 mm s-1 s’est avérée optimale pour le soudage de l’érable à sucre. Dans le cas du bouleau jaune, une vitesse d’insertion de 16 mm s-1 a permis de produire les joints soudés les plus solides pour cette essence. L’angle d’insertion par rapport au fil du bois n’a pas eu d’effet significatif sur les essais mécaniques en iii traction. L’essence et la vitesse rotationnelle ont eu un effet significatif sur la température maximale à l’interface lors du soudage. Des températures maximales à l’insertion de 244 ˚C et 282 ˚C ont été mesurées pour l’érable à sucre et le bouleau jaune à partir des paramètres des soudages optimaux pour chaque essence, respectivement. Cette étude a également examiné la faisabilité du panneautage pour des applications d’apparence intérieures à partir de la technologie de soudage du bois par friction rotationnelle. Pour chacune des essences étudiées, douze panneaux lamellés-soudés de 30 mm x 225 mm x 300 mm ont été fabriqués. Six panneaux lamellés-collés de mêmes dimensions, assemblés avec une émulsion de type acétate de polyvinyle (PVA), ont été assemblés pour chaque essence étudiée pour fins de comparaison. Des essais de flexion statique en trois points ont été effectués afin d’adresser la performance mécanique des assemblages. Des essais non destructifs sous caisson climatiseur ont également été effectués afin comprendre le comportement d’un panneautage lamellé-soudé sous atmosphère alternativement humide (20 °C et 80 % d’humidité relative) correspondant aux conditions estivales et sec (20 °C et 20 % d’humidité relative) pour des conditions hivernales afin d’observer les déformations ou délaminations possibles pouvant se produire sur les panneautages. Des forces maximales à la rupture en flexion de 1,79 kN et 1,70 kN ont été obtenues pour les panneaux lamellés-soudés de bouleau jaune et d’érable à sucre, respectivement. La fracture se produisait généralement dans la section transversale du goujon. Aucun déplacement des goujons n’a été observé à l’interface de soudage. De la délamination dans les panneautages a été constatée au terme des cycles à atmosphère variable autant pour les constructions soudées que collées. Toutefois, celle-ci n’a pas affecté les propriétés en flexion des panneaux lamellés-soudés. Les résultats confirment le potentiel du soudage par friction rotationnelle pour la production de panneaux lamellés-soudés à partir d’essences feuillues canadiennes. La caractérisation de la ligne de soudage a permis de saisir certains aspects fondamentaux liés au soudage du bois par friction rotationnelle. Grâce aux méthodes de pyrolyse couplée à un chromatographe en phase gazeuse et un spectromètre de masse (Py-GC/MS), de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier sur un montage de réflexion totale iv atténuée (ATR-FTIR) et de spectrométrie de photoélectrons induits par rayon-X (XPS), il a été possible d’évaluer les changements thermochimiques durant le soudage par friction rotationnelle chez l’érable à sucre et le bouleau jaune. Le matériel ligneux de référence et le matériel à l’interface de soudage de deux pièces de bois, un goujon et un substrat, ont été comparés dans le but d’expliquer les différences de propriétés mécaniques entre les essences. Les émissions volatiles libérées durant le procédé de soudage ont été analysées en reproduisant le traitement thermique par Py-GC/MS de même qu’avec un chromatographe en phase gazeuse avec détection de conductivité thermique et d’ionisation de la flamme (GC/TCD-FID) afin d’analyser les émanations captées lors du soudage. Les résultats démontrent que le procédé thermique lié au soudage du bouleau jaune et de l’érable à sucre dégrade les hémicelluloses et affecte les polymères de la lignine via une dépolymérisation. L’efficacité du procédé de soudage est ainsi directement liée aux propriétés initiales des constituants du bois, essentiellement la lignine et les glucides. Les changements liés à la lignine à l’interface de soudage ont été plus nombreux chez l’érable à sucre que le bouleau jaune corroborant les résultats obtenus lors des essais mécaniques. Les proportions d’émission volatile ont été similaires pour nos deux essences. L’analyse des composés organiques volatils a permis de conclure que les émanations produites lors du soudage sont négligeables et ne présentaient pas de risque pour la santé humaine ou pour l’environnement. / Gluing is a valid and extensively used alternative to paneling in the furniture industry. However, adhesives, which are generally produced by the petrochemical industry, require curing times (up to 24 h) and multiple handling, which limits the production flow and flexibility required for customized production. Moreover, they are generally derived from non-renewable fossil resources, making the end product expensive from both an ecological and economic standpoint. They also pose a recovery problem, as they are considered a source of contamination in biomass energy methods and wooden waste recycling. Wood welding can shortens the production cycle and reduces dependence on the petrochemical industry. By replacing synthetic resins with the intrinsic lignin binders present in lignocellulosic fibre materials, the depletion of fossil resources could be abated. Wood, which is a renewable, CO2 neutral raw material, can play a key role in sustainable development and have a significant impact on responsible residual waste management. This study examines the suitability of wood welding technology for producing composite panels for furniture applications with two Canadian hardwood species, sugar maple (Acer saccharum) and yellow birch (Betula alleghaniensis). The specific objectives of the present study were: to define optimal wood-dowel welding parameters for two North American hardwood species frequently used for indoor appearance products: sugar maple and yellow birch; to produce wood-welded panels made from sugar maple and yellow birch using a specifically designed panelling machine; to assess the flexural properties of the wood-welded panels, considering the required load-bearing capacity for a typical standard panel used for furniture components; to assess the performance of the wood-welded panels at standard moisture conditions and after humidity cycling; to investigate chemical changes occurring at the welding interface; and to determine the gases released during welding under conditions of optimised welding parameters. High-speed rotation-induced mechanical friction wood-dowel welding was performed using a panelling machine specifically designed at the Centre de Recherche Industrielle du Québec. A comparative analysis of wood-dowel welding parameters was performed. The investigated parameters for both species were grain orientation (tangential or radial), vi rotational speed (1000 rpm, 1500 rpm, and 2500 rpm) and insertion speed (12.5 mm s-1, 16.7 mm s-1, and 25.0 mm s-1) for 36 possible combinations. Ten samples were prepared for a total of 360 wood welded specimens. Optimal welding mechanical properties were determined from the dowel withdrawal strength using a standard tensile strength test. Temperature profile measurements at the interface during rotational wood-dowel welding were also carried out. Results revealed a significant interaction between species, rotational speed, and insertion speed. Sugar maple produced wood joints with higher withdrawal strength than yellow birch. The best results for sugar maple and yellow birch were obtained with a rotational speed of 1000 rpm. A 25 mm s-1 insertion speed produced significantly stronger welded joints in sugar maple than at 12.5 mm s-1. For yellow birch, a 16.7 mm s-1 insertion speed provided the best results. Both species and rotational speed had a significant effect on peak temperature at the interface during welding. Peak welding temperatures with optimal parameters were 244˚C and 282˚C for sugar maple and yellow birch, respectively. This study examined the suitability of wood welding technology for producing composite panels for furniture applications with sugar maple and yellow birch. For each species, twelve 30 mm x 225 mm x 300 mm panels were manufactured using a panelling machine specifically designed for rotational wood-dowel welding with optimized parameters. Six edge-glued panels of the same size were manufactured from each species using a non-structural polyvinyl acetate (PVA) adhesive and tested for comparative purposes. The experimental program included three-point bending at 255-mm span and visual inspection of the panels to assess performance at standard moisture conditions and after an aging cycle with variable relative humidity. Cycling conditions were 20 °C and 80% relative humidity (RH) and 20 °C and 20% RH. Wood-welded panel bending properties were not affected by wood species, with average load at break of 1.79 kN and 1.70 kN for yellow birch and sugar maple, respectively. Fractures consistently occurred in the dowels as splintering tension, and no slippage was observed along the welded interface. No distortion was observed in wood-welded panels following humidity cycling. The cycling did not negatively affect the panel’s bending properties. Edge splitting was observed in both wood-welded and glued panels due to wood vii slat shrinkage in response to dry conditions. The results confirm that wood-dowel welding could be suitable for producing panels from certain North American species. Thermochemical changes during wood-dowel welding were investigated. The original reference wood sample and the welded interface between two bonded wood pieces, a dowel and a substrate, were compared to explain differences in mechanical properties between species. Pyrolysis gas chromatography - mass spectrometry (Py-GC/MS), attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used. The gases emitted during wood welding were determined by Py-GC/MS and gas chromatography coupled with a thermal conductivity detector and a flame ionization detector (GC-TCD/FID). The results of this investigation showed that thermal treatment of birch and maple wood degrades hemicelluloses through acid hydrolysis and dehydration mechanism and affects lignin polymer through depolymerisation reactions. The gas emission results show similar proportions of non-condensable gases for the two studied species. Most of the volatile compounds identified during pyrolysis were non-toxic products derived from degradation of wood polymers. No carbon monoxide was produced during welding, and only traces of hydrogen and carbon dioxide were present. The proportion of detected volatile organic compounds was relatively low and below the lower exposure limits. Hence, wood welding appears to be an ecological technique for assembling furniture components and other applications, and is not harmful for human health.

Ce projet de recherche consiste à développer un nouveau matériau afin d’améliorer la performance énergétique des bâtiments, tout en réduisant l’empreinte carbone. Le nouveau matériau qui joue le rôle de revêtement mural pourrait remplacer les panneaux de gypse et permettre de réduire les écarts de température à l’intérieur des bâtiments, augmentant ainsi le confort des occupants tout en réduisant les besoins en climatisation et en chauffage. Trois objectifs spécifiques ont donc été établis dans le cadre du présent projet de recherche. Le premier consiste à développer la mise en forme et la formulation de panneaux bois-ciment-cendre de bois-poudre de pierre. Le second vise à caractériser ces panneaux quant à leurs propriétés mécaniques et thermiques, à leur résistance à l’absorption d’eau et à leur réaction au feu. Le troisième consiste à évaluer la performance thermique de ces panneaux à l’aide de deux maisonnettes expérimentales instrumentées. Le choix des matières premières a été fait sur la base de leur capacité thermique, leur densité et leur compatibilité. Ensuite, elles ont été caractérisées quant à leur composition chimique, leur granulométrie et leurs propriétés physiques. Les combinaisons de composantes qui ont été finalement retenues pour les panneaux sont les suivantes : particules de bois-ciment-cendre de bois et particules de bois-ciment-pierre de stéatite. La formulation appropriée à chaque type de panneau a été déterminée en termes de proportion massique eau/ciment, bois/ciment et produit d’addition/ciment sur la base de la maniabilité de la pâte et de la densité du matériau composite obtenu. Les panneaux composites produits ont été caractérisés quant à leurs propriétés mécaniques, physiques, thermiques et à leur comportement au feu et à leur structure interne caractérisée par microscopie électronique à balayage. Le pourcentage de remplacement optimal du ciment par de la cendre de bois est de 30%massique. À ce niveau de remplacement, les propriétés mécaniques du panneau sont légèrement réduites(réduction de 12% de la résistance à la flexion et de 21% de la résistance à l’arrachement des vis) par rapport à un panneau sans produit de remplacement. Au-delà de 30% de remplacement, les propriétés diminuent significativement. La stéatite nous offre une bonne qualité de surface du panneau, comparable à la surface de papier du gypse mais sans papier. Le pourcentage optimal de remplacement du ciment par la stéatite est de 15% massique. Les propriétés mécaniques sont améliorées (augmentation de 69% de la résistance à la flexion, de 37% de la résistance à l’arrachement des vis). Ces panneaux peuvent être coupés facilement avec une scie à main de la même manière que le panneau de gypse. Par conséquent, le processus d'installation du panneau est essentiellement le même. Ces panneaux ont une bonne résistance à l'eau. Les panneaux bois-ciment-poudre de stéatite ont de plus un meilleur comportement au feu que les panneaux de gypse. En effet, ils ne présentent pas une flamme visuelle après 20 minutes d’exposition au feu (une minute pour le panneau en gypse) sous un flux radiatif de 50 kW.m-2. Leur chaleur spécifique (15% de remplacement du ciment par la stéatite) est supérieure à celle du panneau en gypse de 38%. Des panneaux de gypse et des panneaux bois-ciment-poudre de stéatite ont été installés sur les murs intérieurs de maisonnettes expérimentales. Les résultats de mesures réalisées de mars à juillet 2019 montrent que la consommation en chauffage de la maisonnette avec des panneaux bois-ciment-poudre de stéatite a diminué de 7% par rapport à celle de la maisonnette avec panneaux intérieurs de gypse lorsque la plage de températures extérieures était de -9°C à 10°C, sans chauffage intérieur. La température intérieure de la maisonnette avec des panneaux bois-ciment-poudre de stéatite est plus confortable lors d’une journée ensoleillée. La différence des amplitudes de température intérieure quotidienne entre les deux maisonnettes a atteint 2,1°C pour une journée très chaude lorsque la température extérieure a atteint 28°C. / This research project consists to develop a new material in order to improve the energy performance of buildings but also the reduction of the carbon footprint of the materials used. The new material, used as wall covering, could help replace gypsum boards and reduce temperature differences inside buildings, thus increasing building comfort while reducing the need for air conditioning and heating. Three specific objectives have been established for this research project. The first objective is to develop the fabrication method and formulation of wood-cement-wood ash-stone powder panels. The second objective aims to characterize these panels in terms of mechanical and thermal properties, water absorption resistance, and fire resistance. The third objective consists of evaluating the thermal performance of these panels using two instrumented experimental huts. The choice of raw materials was based on their heat capacity, density, and compatibility. Then, they were characterized in terms of chemical composition, particle size, and physical properties. The components used for the composites finally selected are wood-cement-wood ash particle boards as well as wood-cementstéatite particle boards. The appropriate formulation for each type of panel was determined in terms of water / cement, wood / cement and adduct / cement mass ratio based on the workability of the paste and the density of the resulting composite material. The composite panels produced were characterized for their mechanical, physical, thermal properties, fire resistance and internal structure characterized by scanning electron microscope. The optimum percentage of replacement of cement by wood ash is 30% by mass. At this amount of replacement, the mechanical properties of the panel have been slightly reduced (12% reduction in flexural strength; 21% reduction in screw pull-out strength) compared to a panel without replacement. Beyond 30% replacement, the properties decreased significantly. Steatite gives us a good panel surface quality, comparable to the surface of gypsum panel standard but without paper. The optimal percentage of replacement of cement by steatite is 15% by mass. Mechanical properties are improved (69% increase in flexural strength, 37% increase in screw pull-out resistance). These panels can be cut easily with a handsaw in the same way as drywall. Therefore, the panel installation process is essentially the same. These panels have good water resistance. Wood-cement-steatite powder panels have better fire resistance than gypsum panels. Indeed, they do not exhibit a visual flame after 20 minutes of exposure to fire (one minute for gypsum board) under a radiative flux of 50 kW/m2 . Their specific heat (15% replacement of cement by steatite) is higher than that of gypsum board by 40%. Gypsum panels and wood-cement-steatite powder panels were installed on the interior walls of experimental huts The results obtained for March and July 2019 show that the heating consumption of the hut with wood- cement-steatite powder panels has decreased by 7% compared to that of the hut with interior gypsum panels when the outside temperature varied from -9°C to 10°C, without internal heating. The interior temperature of the hut with wood-cement-steatite panels is more comfortable on a sunny day. The difference in daily indoor temperature amplitudes between the two huts reached 2.1°C on a very hot day when the outside temperature reached 28°C.

Le confort des passagers à l'intérieur des avions pendant le vol est un axe en voie d'amélioration constante. L'augmentation de la proportion des matériaux composites dans la fabrication des structures aéronautiques amène de nouvelles problématiques à résoudre.Le faible amortissement de ces structures, en contre partie de leur poids/raideur faible, est non favorable sur le plan acoustique, ce qui oblige les concepteurs à devoir trouver des moyens d'amélioration. De plus, les mécanismes de transmission du son au travers d'un système double paroi de type aéronautique ne sont pas complètement compris, c'est la raison qui motive cette étude. L'objectif principal de ce projet est de constituer une base de données pour le partenaire industriel de ce projet : Bombardier Aéronautique. En effet, les données expérimentales de performance d'isolation acoustique, de systèmes complets représentatifs d'un fuselage d'avion sont très rares dans la littérature scientifique. C'est pourquoi une méthodologie expérimentale est utilisée dans ce projet. Deux conceptions différentes de fuselage sont comparées. La première possède une peau (partie extérieure du fuselage) métallique raidie, alors que la deuxième est constituée d'un panneau sandwich composite. Dans les deux cas, un panneau de finition de fabrication sandwich est utilisé. Un traitement acoustique en laine de verre est placé à l'intérieur de chacun des fuselages. Des isolateurs vibratoires sont utilisés pour connecter les deux panneaux du fuselage. La simulation en laboratoire de la couche limite turbulente, qui est la source d'excitation prépondérante pendant la phase de vol, n'est pas encore possible hormis en soufflerie. C'est pourquoi deux cas d'excitation sont considérés pour essayer d'approcher cette sollicitation : une excitation mécanique (pot vibrant) et une acoustique (champ diffus). La validation et l'analyse des résultats sont effectuées par le biais des logiciels NOVA et VAONE, utilisés par le partenaire industriel de ce projet. Un des objectifs secondaires est de valider le modèle double paroi implémenté dans NOVA. L'investigation de l'effet de compression local du traitement acoustique, sur la perte par transmission d'une simple paroi, montre que cette action n'a aucun effet bénéfique notable. D'autre part, il apparaît que la raideur des isolateurs vibratoires a un lien direct avec les performances d'isolation du système double paroi.Le système double paroi avec peau composite semble moins sensible à ce paramètre.Le modèle double paroi de NOVA donne de bons résultats concernant le système double paroi avec une peau métallique. Des écarts plus importants sont observés en moyennes et hautes fréquences dans le cas du système avec une peau composite. Cependant, la bonne tendance de la prédiction au vu de la complexité de la structure est plutôt prometteuse.

Nos sociétés sont de plus en plus préoccupées par l’impact très nocif des ressources énergétiques polluantes, essentiellement, le pétrole, le charbon et le gaz. Ainsi, l’intérêt dans l’utilisation des énergies renouvelables et propres est en constant augmentation et la conception de nouveaux systèmes énergétiques est devenue un challenge scientifique et technologique. Pour concevoir de nouvelles solutions énergétiques compétitives et efficaces, les fabricants de composants (panneaux solaires, pile à combustible, convertisseurs, etc.) et les secteurs industriels concernés sont confrontés à des problématiques d’optimisation, de contrôle et de durabilité. Par ailleurs, les sources d’énergie renouvelable sont dépendantes de plusieurs facteurs incontrôlables (lieu géographique, météorologie, etc.). Pour parer à ces facteurs, et donc au caractère aléatoire de disponibilité énergétique, l’hybridation des sources et la gestion énergétique peut s’avérer être une approche pertinente pour la conception de solutions énergétiques efficaces. Cette thèse est une contribution au problème de l’hybridation et de la gestion d’énergie. Plus précisément, nous considérons un système hybride composé de panneaux solaires photovoltaïques et d’une pile à combustible. Ce système est supposé être doté de convertisseurs et d’un système de stockage (batterie et super-condensateurs). / Our societies are increasingly concerned about the very harmful impact of clean energy resources, mainly oil, coal and gas. Thus, interest in the use of renewable and clean energy is constantly increasing and the development of new energy systems has become a scientific and technological challenge. To develop new competitive and efficient energy solutions, manufacturers of components (solar panels, fuel cells, inverters, etc.) and industrial sectors are facing problems of optimization, control and durability. In addition, renewable energy sources depend on several uncontrollable factors (geographical location, weather, etc.). To address these factors, and thus the randomness of energy availability, sources hybridization and energy management can prove to be an appropriate approach for the design of efficient energy solutions. This thesis is a contribution to the problem of hybridization and energy management. More precisely, we consider a hybrid system composed of photovoltaic solar panels and a fuel cell. This system is supposed to be equipped with converters and storage system (battery and supercapacitors). The goal is to develop control strategies to extract the maximum power available from the considered sources and to optimize the overall energy system to meet the load requirements. To do this, our approach is based on the tracking of the maximum power point and the use of compensators.

Avec la crise pétrolière annoncée depuis quelques années déjà, le recours aux énergies alternatives connait une forte expansion ; parmi elles, l'énergie photovoltaïque, est une technologie prometteuse en termes de sécurité d'approvisionnement et de préservation de l'environnement. Néanmoins, elle présente deux principaux inconvénients : la production d'énergie n'est pas continue et la tension aux bornes des panneaux dépend fortement de la charge connectée. A travers nos travaux de recherche, nous proposons un système photovoltaïque autonome avec stockage permettant de réduire les contraintes citées plus haut. D'une part, un algorithme MPPT (Maximum Power Point Tracking) auto-adaptatif permet aux panneaux photovoltaïques de fonctionner suivant leur tension optimale, fournissant ainsi le maximum de puissance. D'autre part, l'unité de stockage d'électricité a été optimisée : en plus des batteries au plomb conventionnellement utilisées, des supercapacités ont été ajoutées en vue d'obtenir une unité hybride de stockage. Ainsi, les supercapacités remplissent une fonction « puissance » en faisant face aux pics de puissance, et les batteries la fonction « énergie » . L'ajout des supercapacités permet ainsi de mieux préserver les batteries en leur évitant de profondes décharges. Enfin, une gestion globale efficace permet au système de fournir un rendement optimal. / With the oil crisis announced in recent years, the use of alternative energy is experiencing strong growth, among them; photovoltaic energy is a promising technology in terms of supply security and environmental preservation. However, it has two main disadvantages: the production of energy is not continuous and the voltage across the PV panels heavily depends on the connected load. Through our research, we propose an autonomous photovoltaic system with storage to reduce the constraints mentioned above. On one hand, an auto-adaptive MPPT (Maximum Power Point Tracking) algorithm allows photovoltaic panels to operate according to their optimal tension, thus providing maximum power. On the other hand, the storage device has been optimized: supercapacitors are added to lead-acid batteries to obtain a hybrid storage unit. Thus, supercapacitors perform a "power" function by facing power peaks, and batteries, an "energy" function. The addition of supercapacitors preserves the batteries by avoiding deep discharge. Finally, an effective overall management allows the system to provide optimal performance.