Cette étude porte sur le développement d’un modèle mathématique-physique permettant de modéliser le pressage à chaud des panneaux de fibres de bois (MDF) pour les procédés en lot et en continu. Le système final est composé de trois équations différentielles : une pour la conservation de gaz, une pour la conservation de la vapeur d’eau et une pour la conservation d’énergie. On a introduit un terme de diffusion de la vapeur d’eau qui n’était pas considéré auparavant. Les variables d’état prédites sont la température, la pression gazeuse et la teneur en humidité. Le système d’équations a été résolu par la méthode des éléments finis en employant le logiciel MEF++ développé au GIREF à l’Université Laval. Les conditions aux limites utilisées durant la simulation sont du type Neumann non linéaire ou du type Dirichlet selon le type de pressage simulé. Afin de valider les résultats numériques en 2-D et 3-D donnés par ce modèle, on les a comparés avec les données obtenues d’un procédé en lot au laboratoire et en continu dans une industrie. À cet effet, des panneaux MDF d’épinette noire (Picea mariana (Mill.) BPS) ont été fabriqués et des mesures de température ont été prises à l’aide des thermocouples à la surface et au centre de l’ébauche. La pression gazeuse a aussi été déterminée lors du pressage à chaud avec une sonde de pression introduite à l’intérieur de l’ébauche. De plus, pour évaluer la teneur en humidité, sept modèles de sorption ont été extrapolés et comparés aux valeurs expérimentales provenant de la littérature. Le modèle de Malmquist donne la meilleure correspondance pour les humidités relatives considérées et a donc été utilisé. Les résultats numériques indiquent que la température, la teneur en humidité et la pression gazeuse prédites sont en accord avec les résultats expérimentaux pour les deux types de pressage considérés sans utiliser un facteur d’ajustement. On a conclu que le modèle mathématique-physique et la méthode des éléments finis ont un grand potentiel pour résoudre ce type de problème et aider ainsi à maîtriser la qualité des produits et les pertes lors de la fabrication. Il est fortement recommandé d’approfondir la recherche sur les valeurs des paramètres physiques impliqués dans ce procédé. / This study describes a mathematical-physical model to predict temperature, gas pressure and moisture content during MDF hot pressing in batch and continuous processes. The final system is composed of three differential equations: gas conservation, water vapor conservation and energy conservation. This model introduced the moisture diffusion term which was not considered in the basis model. The system of equations was solved by the finite element method using the MEF++ software developed by the GIREF at Laval University. The boundary conditions used during simulation are of the Neumann or Dirichlet type depending on the process considered. In order to validate the numerical results in 2-D and 3-D, we compared them with experimental data obtained from the batch process in the pressing laboratory and from the continuous process in an industry. For this purpose, MDF panels of black spruce (Picea mariana (Mill.) BPS) were manufactured and temperature measurements made using thermocouples on the surface and the center of the mat. The gas pressure was also measured using a pressure probe located inside the mat. Moreover, in order to evaluate moisture content, seven sorption models were extrapolated and compared with experimental values from the literature. The Malmquist model gives the best correspondence for the relative humidities considered and was therefore used. The numerical results indicate that the predicted temperature, moisture content and gas pressure are in agreement with experimental results for the two processes considered without using an adjustment factor. We concluded that the mathematical-physical model and the finite element method have a great potential to solve this type of problem to control the quality of panels and the losses during manufacturing. It is strongly recommended to look further into research on the values of the physical parameters involved in this process.

Le ralentissement de la production de l'industrie des pâtes et papiers a entraîné la surproduction de copeaux par l'industrie du bois de sciage résineux dans l'Est du Canada. Dans ces conditions, il devient nécessaire d'explorer la possibilité de produire des panneaux OSB à partir des dosses des billes de bois de résineux. La détermination des relations entre les performances des panneaux OSB et les caractéristiques des lamelles de bois a été faite afin de favoriser la production des panneaux OSB à partir d'espèces de bois résineux utilisées dans l'industrie du bois de sciage de l'Est du Canada : l'épinette noire, le sapin baumier et le pin gris. Une espèce de feuillus couramment utilisée pour produire des panneaux OSB, le peuplier faux-tremble, a été utilisée comme témoin. Le programme de pressage à chaud a été mis au point de manière à produire des profils de masse volumique verticale comparables pour les panneaux OSB fabriqués à partir de lamelles d'épinette noire, de sapin baumier et de pin gris. La tomographie par micro-ordinateur à rayons X a été utilisée pour étudier les caractéristiques des vides dans les panneaux OSB avec différentes structures. Ainsi, le module d'élasticité et le module de rupture en flexion, la cohésion interne et le gonflement en épaisseur des panneaux OSB fabriqués à partir de trois espèces de bois résineux ont été déterminés pour évaluer leur potentiel pour remplacer le peuplier faux-tremble dans la fabrication des panneaux OSB. Les panneaux fabriqués à partir de ces trois espèces de bois résineux ont montré des propriétés physiques et mécaniques supérieures à la norme CSA O437 pour les propriétés de la classe O-2, sauf pour le gonflement en épaisseur. Les résultats indiquent que l'espèce de bois était une variable significative en ce qui concerne les propriétés physiques et mécaniques des panneaux OSB considérés dans cette étude. Les propriétés de flexion des panneaux OSB diminuaient avec l'augmentation de la masse volumique de l'espèce, mais la cohésion interne augmentait. Le mélange des lamelles de bois de résineux et de peuplier faux-tremble a permis de diminuer de façon significative le gonflement en épaisseur des panneaux. La réduction de la masse volumique des couches de surface pourrait également être explorée pour réduire le gonflement en épaisseur de panneaux fabriqués à partir des bois de résineux considérés dans cette étude. En outre, l'effet de la géométrie des lamelles sur les propriétés déjà mentionnées a été évalué. L'épaisseur des lamelles a eu un effet négatif significatif sur les propriétés de flexion, mais un effet positif significatif sur la cohésion interne et le gonflement en épaisseur. La longueur des lamelles a eu un effet positif significatif sur les propriétés de flexion parallèle, mais un effet négatif significatif sur les propriétés de flexion perpendiculaire et la cohésion interne, à l'exception du gonflement en épaisseur. De plus, cette étude a évalué l'effet de la structure des panneaux sur les propriétés physiques et mécaniques, l'absorption d'eau et le caractère des vides. Il existe de nombreux vides dans le panneau qui sont formés par le chevauchement des lamelles et affectent considérablement les propriétés du panneau. Les résultats ont montré que le panneau OSB avait un profil de porosité opposé au profil de masse volumique. Le changement des propriétés en flexion peut être causé par le changement d'orientation des lamelles de la couche médiane. La légère différence de cohésion interne et d'absorption d'eau a été causée par la différence de distribution de la taille des vides et la plus grande taille des vides. Les panneaux fabriqués à partir de lamelles d'espèces mélangées montrent une porosité totale plus élevée, un profil de porosité plus accentué et des vides de plus petite taille comparativement à ceux des lamelles d'épinette noire, ce qui a donné de meilleures propriétés en flexion, la plus faible cohésion interne, une plus faible absorption d'eau et un gonflement en épaisseur plus faible. Ainsi, la cohésion interne, l'absorption d'eau et le gonflement en épaisseur des panneaux OSB avec une couche médiane de lamelles d'espèces mélangées diminuent avec une augmentation de la proportion de la couche médiane. Une tendance inverse a été observée pour les panneaux avec une couche médiane d'épinette noire. Par conséquent, les résultats permettent d'affirmer que la combinaison des lamelles de résineux et de peuplier faux-tremble a considérablement amélioré le gonflement en épaisseur des panneaux OSB à base de résineux. La réduction de la masse volumique des couches de surface pourrait également être envisagée pour réduire le gonflement en épaisseur des panneaux fabriqués à partir des bois résineux considérés dans cette étude. / The production decrease of the pulp and paper industry has resulted in a surplus of chips produced by the softwood lumber industry in Canada. Under these circumstances, it becomes necessary to explore the possibility of producing OSB panels from the cants produced during the primary processing of softwood logs representative of the wood used by the softwood sawmill industry in Eastern Canada. Establish and characterize properly the relations between OSB panel performance and wood strands characters allow to increase the feasibility of producing OSB from softwood species used by the Eastern Canadian softwood lumber industry: black spruce, balsam fir and jack pine. A hardwood species frequently used to produce OSB, trembling aspen, was used as a control. The hot-pressing process was developed to provide comparable density profiles for OSB panels made from black spruce, balsam fir, and jack pine strands. In this research, X-ray microcomputer tomography was used to investigate the void character of the OSB panels with different structures. Thereby the modulus of elasticity, modulus of rupture, internal bond, and thickness swelling of OSB panels were determined for three softwood species in order to evaluate their potential to replace trembling aspen for OSB manufacturing. The panels made from these three softwood species showed physical and mechanical properties exceeding the CSA O437 standard for class O-2 properties requirements, except for high thickness swelling. The results indicate that the wood species was, in fact, a significantly variable in relation to the physical mechanical properties of OSB panel considered in this study. The bending properties of OSB decreased with an increase in the species wood density but the internal bond strength increased. The combination of softwood and aspen strands significantly reduced the thickness swelling of OSB. The reduction in the surface-layer density could also be explored to reduce the thickness swelling of the OSB made from the softwoods considered in this study. Furthermore, strand geometry effect on the properties already mentioned has been evaluated. The strand thickness had a significantly negative effect on the bending properties but a significantly positive effect on the internal bond and thickness swelling properties. The strand length had a significantly positive effect on the parallel bending properties but a significantly negative effect on the perpendicular bending properties and the internal bond, except for the thickness swelling. Finally, panel structure effect on physical and mechanical properties, water absorption, and void character has been evaluated. There are many voids in the panel which are formed by the overlap of the strands and significantly affect the panel performance. The results indicated that the OSB panel has a porosity profile opposite to the density profile. Unidirectionally oriented homogeneous boards showed slightly higher total porosity, steeper porosity profile, and higher void size compared to the other two three-layer boards, but there was no significant difference among them. Although the changes of bending properties owe to the changes of core-layer strands orientation, the slight difference of internal bond and water absorption rate was caused by the narrower void distribution and larger void size. The panels made from mix-species strands show higher total porosity, steeper porosity profile, and small void size compared to those of black spruce strands, which resulted in better bending properties, the lowest internal bond, and lower water absorption rate and thickness swelling. Thus, the internal bond, water absorption rate, and thickness swelling of the panels with mix-species core layer decrease with an increase in core-layer proportion. An opposite trend was observed in the panels with a black spruce core layer. Hence, there was enough evidence to conclude that the combination of softwood and aspen strands significantly improved the thickness swelling of softwood based OSB. The reduction in the surface layer density could also be explored to reduce the thickness swelling of the OSB made from the softwoods considered in this study.

Dans la présente thèse, nous nous intéressons aux phénomènes physiques se déroulant durant le processus de pressage à chaud des panneaux de fibres de bois (MDF). La non-linéarité et la forte interdépendance des phénomènes instationnaires de transfert de chaleur et de masse et du pressage mécanique de l'ébauche de fibres rendent leur modélisation et analyse non triviales. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de sensibilité portant sur le modèle de transfert de chaleur et de masse proposé par Thômen et Humphrey en 2006. Dans cette étude de sensibilité, nous avons déterminé l'impact de la variabilité des propriétés matérielles, des modèles de sorption, des conditions aux limites et de la teneur en humidité initiale sur les variables d'état et les résultats numériques du modèle mathématique. Afin de mieux tenir compte des interactions complexes entre les différents processus physiques, nous avons ensuite proposé un modèle mathématique global tridimensionnel couplé modélisant le processus de pressage à chaud en lot (batch pressing). Le modèle global est constitué de deux entités distinctes, soient le modèle mécanique et le modèle couplé de transfert de chaleur et de masse. Dans cette première phase de développement, la compression de l'ébauche est représentée par un modèle élastique vieillissant que nous avons exprimé en formulation quasi-statique incrémentale. Les variables d'état pour ce modèle sont l'incrément de déplacement et l'incrément de contrainte. Tous les calculs se font sur une géométrie mobile dont la déformation (compression) est une conséquence de la fermeture de la presse. Le développement du profil de densité est ainsi calculé dynamiquement à chaque pas de temps. Quant aux phénomènes de transfert de chaleur et de masse, ils sont modélisés par un système couplé constitué de trois équations de conservation, notamment la conservation de la masse de l'air et de la vapeur ainsi que la conservation de l'énergie. Les équations sont exprimées en fonction de trois variables d'état, soient la température et les pressions partielles de l'air et de la vapeur. Le modèle global est discrétisé par la méthode des éléments finis et les systèmes résultant ont été résolus grâce au logiciel MEF++ développé au GIREF (Groupe interdisciplinaire de recherche en éléments finis, Université Laval). Les simulations numériques ont été menées aussi bien en deux qu'en trois dimensions. Les résultats numériques de température et de pression gazeuse ont été comparés aux mesures prises au laboratoire du CRB (Centre de recherche sur le bois, Université Laval) lors d'un procédé de pressage en lot. Une bonne concordance entre les résultats numériques et expérimentaux a été constatée. Afin d'enrichir le modèle proposé, les futurs développements devraient traiter de la nature viscoélastique et plastique de l'ébauche soumise au pressage à chaud. Il demeure néanmoins clair que la qualité des prédictions produites par des modèles numériques dépendra toujours en grande partie de la disponibilité et de la qualité des valeurs caractérisant les propriétés physiques et matérielles du produit à l'étude. Afin de combler de nombreuses lacunes à ce chapitre, nous ne pouvons qu'encourager les recherches menant à une meilleure connaissance de ces propriétés.

L'objectif de l'étude est de développer l'information requise pour la conception structurale des joints utilisés dans les armatures des meubles rembourrés construites avec des panneaux OSB. On présente trois niveaux d'essais: 1) le matériau, avec interaction matériau / attaches (vis et agrafe), 2) le joint (plaques gousset et métallique), et 3) modélisation d'une structure de sofa en OSB. En premier, les essais des propriétés des matières premières OSB, MDF et PB, notamment l'effet de la densité localisée sur la performance en résistance de l'attache dans les panneaux à base de bois, sous les chargements statique et cyclique ont été examinés. Les résultats montrent que l'OSB a obtenu la variation de densité la plus élevée dans le plan et en épaisseur, avec une résistance plus critique avec les vis qu’avec les agrafes. La densité des panneaux MDF a moins varié, conférant une résistance plus homogène. En second, on a déterminé la résistance en flexion dans le plan et dehors du plan des joints de gousset et de plaque métallique avec différentes configurations sous les charges statique et de fatigue. Les résultats indiquent que l'adhésif est le facteur le plus important affectant l'efficacité des joints. Une augmentation de longueur des goussets de 102 à 203 mm (4 à 8 po) a accru la charge maximale pour le joint collé et pour le joint sans colle. L'utilisation de deux paires de plaques était le facteur prédominant dans l'efficacité des joints avec métal. Un rapport de résistance statique-à-fatigue peut être adopté comme rapport de dépassement pour la conception des armatures de meubles rembourrés avec les joints réalisés avec des goussets (2,1) et plaques métalliques (2,5). En général, la résistance en flexion dans le plan était beaucoup plus grande que la résistance en flexion en dehors du plan pour les joints réalisés avec des plaques métalliques et avec goussets. Finalement, trois configurations d'armature de sofa trois-places fait en OSB avec deux types de joints et trois niveaux de charges ont été modélisés en utilisant le logiciel SAP2000. Le modèle optimal s’avère utilisable en chargement léger, moindrement pour un chargement moyen et inutilisable pour un chargement élevé. / The objective of the study was to develop the information needed for the engineered design of joints used in upholstered frames constructed of OSB. Presented are three levels of tests: 1) material level, including interaction of material/fasteners (screw and staple), 2) joints level (gusset-plate and metal-plate), and 3) modeling of a sofa frame made of OSB. First, tests of basic material properties of OSB, MDF and PB, and localized density effecting on fastener holding capacities in wood-based panels under static and cyclic loading were examined. Results showed that in both static and cyclic loads, OSB had the highest density variation in plane and through thickness, which was more critical to the screw than to the staple holding capacities. The density of MDF panels varied the least, leading to a more uniform fastener holding capacity. Second, in-plane and out-of-plane moment capacities of OSB gusset-plate and metal-plate joints with different configurations were determined under static and fatigue loads. Results indicated that application of glue was the most important factor affecting the performance of the joints. An increase in length of gusset-plate from 102 to 203-mm (4 to 8-in) increased the peak load for both glued and unglued joints. For metal-plates, the use of two pairs of plates was the most important factor that affected the performance of the joints. For fatigue tests, the average values of 2.1 and 2.5 can be used as the passing static-to-fatigue ratio for design of upholstered furniture frames with OSB gusset-plate and metal-plate joints, respectively. In general, in-plane moment capacities were found to be 4 to 6 times higher than out-of-plane moment capacities for both metal-plate and gusset-plate joints. Finally, three configurations of three-seat sofa frame made of OSB with two types of joints under three levels of service acceptance loads were modeled using the finite element program SAP2000. The results demonstrated that the sofa frame model can pass light-service acceptance level load; there is the limit to pass medium-service acceptance level load; and it could not serve the heavy-service acceptance level load.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019. / Les Matériaux à Changement de Phase (MCP), par stockage de chaleur latente, peuvent améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments. En saison froide, ils peuvent emmagasiner de la chaleur durant le jour pour qu’elle soit relâchée durant la nuit, réduisant le besoin en chauffage. En saison chaude, ils peuvent permettre, moyennant une ventilation nocturne adaptée, de réduire la surchauffe des bâtiments. Afin d’optimiser le bénéfice énergétique, l’intégration de MCP doit être minutieusement réfléchie. Ce travail de thèse présente trois grands axes dédiés à l’étude de matériaux hybrides bois/MCP. Le premier axe traite de la mise en forme et de la caractérisation de panneaux décoratifs intérieurs de haute inertie thermique. Le second axe a pour objectif d’évaluer la performance de ces panneaux à l’aide de deux maisonnettes expérimentales instrumentées et placées sur le campus de l’Université LAVAL. Le troisième axe étudie l’imprégnation de la couche de surface d’une Lame de Plancher d’Ingénierie (LPI) avec des microcapsules de MCP. Dans le premier axe, des panneaux intérieurs décoratifs ont été mis en oeuvre. Ils sont constitués de MDF (Medium Density Fiberboard), HDF (High Density Fiberboard) et de différents MCP biosourcés. Les MCP ont été macroencapsulés dans des sachets de polyéthylène avant d’être placés dans les panneaux. Leur stockage de chaleur latente a été mesuré avec un débitmètre thermique selon la méthode Dynamic Heat Flux Meter Apparatus (DHFMA). Les panneaux stockent une chaleur latente maximale de 57.1 J/g, ce qui est comparable à des solutions existantes de panneaux embarquant des MCP. Leur comportement thermique a été comparé au comportement des MCP purs testés par DSC (Differential Scanning Calorimetry) et des différences significatives ont été observées. Le comportement hygromécanique des panneaux a été évalué et s’est révélé être une question d’importance en vue d’une d’industrialisation. Dans le deuxième axe, deux maisonnettes expérimentales en ossature légère de bois ont été conçues puis placées sur le campus de l’Université LAVAL. Une maisonnette a été équipée de panneaux en bois standards tandis que l’autre contenait les panneaux bois/MCP. Grâce à l’instrumentation embarquée, la performance insitu des panneaux formulés dans le premier axe a pu être étudiée. Les résultats montrent, en saison de chauffe, une réduction de la consommation en chauffage pour la maisonnette équipée de MCP. Cette réduction atteint un maximum de 41 % pour le mois de mai. Pour le confort d’été, les panneaux permettent généralement d’améliorer le confort thermique, en réduisant la surchauffe. Leur efficacité a cependant été révélée limitée par la solidification limitée du MCP pendant la nuit. Malgré une ventilation importante, lors des nuits les plus chaudes, le matériau n’était pas en mesure de se solidifier. Dans le troisième axe, des couches de surface de Lames de Planchers d’Ingénierie (LPI) ont été imprégnés avec des microcapsules de MCP biosourcés. De l’eau distillée a été utilisée comme solvant. Deux essences de bois ont été choisies : le chêne rouge et l’érable à sucre. Le gain de masse thermique s’est révélé significatif pour le chêne rouge mais négligeable pour l’érable à sucre. Pour le chêne rouge, un bénéfice de masse thermique de 77% a été mesuré. Les microcapsules ont été observées dans le bois par microscopie réflective. Elles se sont révélées être principalement présentes, formant des amas, dans les larges vaisseaux du bois initial pour le chêne rouge. Des microcapsules étaient également présentes dans les vaisseaux de l’érable à sucre, en plus petite quantité. Des tests d’adhésion ont été menés sur des lames de planchers vernis et ces tests n’ont révélé aucune influence significative de l’imprégnation sur la tenue d’un vernis. / Phase Change Materials (PCMs) are able to store a high amount of latent heat, which can improve buildings energy efficiency. During the heating season, solar energy can be stored during the day to be released at night, reducing the heating needs. During summer, daily maximum peak temperature can be reduced. In order to maximize the energy benefits, PCMs have to be implemented carefully. This thesis presents three major axes of research about wood/PCMs hybrid materials. The first axis is about manufacturing and characterizing woodbased decorative panels of high thermal mass. The second axis aims to evaluate the performance of such panels with two instrumented wood-frame test huts placed on LAVAL University Campus. The third axis is about impregnating the lamella of Engineering Wood Flooring (EWF) with PCM microcapsules. For the first axis, interior wood-based decorative panels containing PCMs were manufactured. Medium Density Fiberboard (MDF), was used as the main component and High Density Fiberboard (HDF) was used for the inner side of the panel. Several bio-based PCMs were chosen to load the panels. A macroencapsulation of the PCMs was achieved using polyethylene bags. The latent heat storage of the panels was assessed with a thermal flow meter using a Dynamic Heat Flux Meter Apparatus (DHFMA) method. A maximum latent heat storage of 57.1 J/g has been measured, which is comparable to existing panels containing PCMs. Thermal behavior of pure PCMs has been assessed by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and then compared to the panels behavior. Significant differences have been revealed. Hygromechanical behavior of the panels has been evaluated, compared to a reference, and has been revealed of importance in case of industrialization. For the second axis, two experimental timber-frame test-huts have been implemented and were placed on the LAVAL University campus. One hut was equipped with standard wood panels whereas the other one was equipped with wood-based panels containing PCMs such as manufactured in the first axis. The in-situ performance of the panels was assessed over several seasons. In winter, the panels induced a reduction of the heating consumption. This reduction reached a maximum of 41% in May. During summer, the panels are generally able to reduce the daily peak temperature. However, their performance was found limited by the solidification of the PCM, which was hard to achieve during hottest nights. For the third axis, lamellas of Engineered Wood Flooring (EWF) have been impregnated with bio-based PCM microcapsules, using water as a solvent. Two wood species were chosen: red oak and sugar. A significant thermal mass enhancement of 77% was measured for the red oak. Impregnation of sugar maple was found harder to achieve and thus its thermal mass enhancement was lower. Reflective microscopy allowed to observe the microcapsules filling red oak initial wood big vessels, forming aggregates. Some microcapsules were also observed in the sugar maple vessels but in lower quantity. Red oak was varnished with a 100 % UV solid wood coating and submitted to pull-off adhesion tests. These tests did not reveal any significant effect of an impregnation on the varnish adherence.

Des 3 500 000 tonnes métriques anhydres (TMA) d’écorces produites en 2004 par l’industrie forestière au Québec, 96 000 (soit 2,7% de la masse totale des écorces produites la même année) étaient celles de bouleau blanc. Ces écorces sont en grande partie utilisées dans la production d’énergie alors qu’elles généreraient plus de gains si elles étaient utilisées pour la fabrication de panneaux agglomérés. L’objectif de ce projet de recherche est de mettre sur pied des stratégies permettant d’utiliser efficacement les particules d’écorce de bouleau pour fabriquer différents types de panneaux de masse volumique moyenne qui satisfont les exigences de la norme des panneaux conventionnels. Les essais préliminaires ont laissé entrevoir qu’il était difficile de fabriquer les panneaux de masse volumique moyenne exclusivement à base de ces particules d’écorce, à cause de leur faible taux de cellulose, surtout dans les particules d’écorce externe qui ne fait pas d’elles une matière structurale comme le bois. En outre, la forme granuleuse de la partie interne de cette écorce ne favorise pas l’effet d’entrelacement qui contribue fortement à l’amélioration des propriétés de flexion des panneaux. Également, la forte concentration des subérines dans la partie externe de cette écorce la rend très hydrophobe et sa surface est comme celle du téflon, c'est-à-dire, très difficile à mouiller. Les parties externe et interne de cette écorce ont des propriétés différentes, et pour pallier ces difficultés, la solution idéale consistait à concevoir des panneaux mixtes où ces particules d’écorce seraient renforcées avec les particules, les fibres et les lamelles de bois. Le premier type de panneau mis sur pied est fait d’un mélange de fibres de bois et de particules d’écorce interne de bouleau blanc dans la couche médiane et de fibres de bois dans les couches couvrantes. Le pourcentage de fibres de bois (deux niveaux) et le pourcentage de fibres de bois ajoutées aux particules d’écorce interne de la couche médiane (trois niveaux) constituaient les deux facteurs du dispositif utilisé pour la fabrication de ce type de panneaux. Les panneaux fabriqués ont tous eu des propriétés mécaniques qui rencontraient les exigences de la norme, le panneau avec 25% de fibres de bois dans les couches couvrantes et 9% de fibres de bois ajoutées aux particules d’écorce de la couche médiane ont eu les meilleurs propriétés mécaniques alors que le panneau le plus stable dimensionnellement est celui avec 22% de fibres de bois dans les couches couvrantes et 5% de fibres de bois mélangées aux particules d’écorce de la couche médiane. Quant au second type de panneau, il est constitué de particules d’écorce externe de bouleau blanc dans les couches couvrantes et respectivement de particules et de fibres de bois dans la couche médiane. Les deux facteurs intervenant dans sa fabrication sont le type de matériel dans la couche médiane (particules de bois versus fibres de bois) et le pourcentage de particules d’écorce dans les couches couvrantes. La méthode d’analyse statistique utilisée a permis de sélectionner le panneau avec 45% de particules d’écorce externe de bouleau dans les couches couvrantes et les particules de bois dans la couche médiane comme le meilleur du groupe, surtout en se basant sur le critère de la stabilité dimensionnelle mesurée par la dilatation linéaire. Le troisième type de panneau est un panneau sous-plancher de 8 mm d’épaisseur et densifié à 800 kg/m3. Il est constitué de particules d’écorce externe de bouleau dans les couches couvrantes et de particules de bois dans la couche médiane. Les deux facteurs utilisés pour sa conception sont : le pourcentage de la résine phénol-formaldéhyde (PF) utilisée pour encoller les particules d’écorce des couches couvrantes (trois niveaux de pourcentage) et le traitement des particules d’écorce utilisées (écorce non traitée à la soude versus écorce traitée à la soude). Les particules d’écorce sont traitées afin de mettre en évidence leur impact sur les propriétés des panneaux produits. Le traitement à la soude a diminué les propriétés des panneaux produits en affaiblissant les structures de l’écorce externe de bouleau. Le meilleur panneau du groupe est celui dont les particules d’écorce externe de bouleau non traitées à la soude sont encollées avec le plus bas pourcentage de résine PF. Le dernier type de panneau concerne un panneau mixte avec les particules d’écorce externe de bouleau blanc au centre et les lamelles de bois dans les couches couvrantes. Deux facteurs sont utilisés dans sa mise en place : l’orientation des lamelles dans les couches couvrantes (orientées versus non orientées) et le type de matériel dans la couche médiane (écorce non traitée à la soude, écorce non traitée à la soude plus 10% de fibres de bois, écorce traitée à la soude). Le traitement à la soude n’a pas produit les effets escomptés (amélioration des propriétés mécaniques). L’analyse statistique utilisée dans un plan factoriel en blocs complets a permis de déterminer le meilleur panneau comme étant celui avec les particules d’écorce non traitées à la soude et sans ajout de fibres de bois. La méthode mise sur pied pour les fabrications des quatre types de panneaux mixtes susmentionnés permet de valoriser plus de 50% (par rapport à la masse anhydre totale des particules utilisées pour fabriquer le panneau) de particules d’écorce de bouleau blanc par panneau fabriqué, ce qui conforte l’idée d’employer de façon judicieuse cette écorce comme source alternative d’approvisionnement en matière première pour les usines de panneaux. / In the year 2004 alone, 96 000 dry metric tons (DMT) of white birch bark were produced by forest industries in Quebec. This constituted approximately 2.7% of total bark production for the region. These barks which are mostly used for energy production would have generated more benefits had they been used for agglomerated panels manufacture. The objective of this research project was to set up strategies which will make possible to effectively use bark particles of white birch, for the manufacture of various types of medium density panels that meet the standard requirements of particleboards. The preliminary tests revealed that, it was difficult to manufacture medium density panels based on bark particles exclusively, due to the following disadvantages. (1): their low cellulose content, especially on the outer bark particles, does not make them a structural material like wood; (2): the granular form of the inner bark does not contribute to the interlacing effects, which strongly contribute to the improvement of panels bending properties; (3): the high concentration of suberins on the outer bark makes it very hydrophobic with a surface similar to teflon which is very difficult to wet; and (4): the outer and inner parts barks have different properties. In the face of such difficulties, the ideal solution consisted in designing mixed panels where these bark particles will be reinforced with wood particles, wood fibres and wood strands. The first panel type was set up - a mixed panel with wood fibres in the surface layers, and a mixture of wood fibres and inner bark particles of white birch in the core layer. The percentage of wood fibres (two levels) and the percentage of wood fibres added to the inner bark particles in the core layer (three levels) were the two panels manufacturing factors. All manufactured panels fulfilled the standard requirements for all mechanical properties. Panel with 25% wood fibres in the surface layers and 9% wood fibres mixed with bark particles in the core layer had the best mechanical properties, while panel with 22% wood fibres in the surface layers and 5% wood fibres mixed with bark particles in the core layer was the most dimensionally stable. The second panel type is composed of outer bark particles of white birch in the surface layers and wood material in the core layer. The two manufacturing factors were: the type of wood material in the core layer (wood particles versus wood fibres) and the percentage of outer bark particles in the surface layers. The statistical analysis method used made possible to select the panel with 45% outer bark particles of white birch in the surface layers and wood particles in the core layer as the best, especially by taking into account the dimensional stability criterion based on linear expansion measurement. The third panel type was a sub-flooring panel with a thickness of 8 mm and a density of 800 kg/m3. It was composed of outer bark particles in the surface layers and wood particles in the core layer. The two factors used for its experimental design were: the percentage of phenol-formaldehyde resin (PF) used to bond bark particles of surface layers (three levels of percentage) and the treatment of bark particles used (untreated bark versus bark treated with soda). The bark particles were treated in order to highlight their impact on the properties of manufactured panels. The alkali treatment lowered the properties of manufactured panels because soda treatment weakened the structures of outer bark particles of white birch used. The best panel was that with untreated outer bark particles of white birch, bonded with the lowest percentage of PF (5%). The last panel type was a mixed panel with outer bark particles of white birch in the core layer and wood strands in the surface layers. Two factors were used in its setting-up: the orientation of strands in the surface layers (oriented versus not non oriented) and the type of material in core layer (untreated bark particles, a mix of untreated bark particle and 10% wood fibres, bark particle treated with soda). The alkali treatment did not produce the expected effects (improvement of panels’ mechanical properties). The statistical analysis used in a factorial design in complete blocks made possible to choose the panel with untreated outer bark particles without wood fibres addition as the best. The method used to manufacture the above-mentioned mixed panels permitted to add higher proportion of white birch bark particles in each manufactured panel. The result of the present research project demonstrates that, bark particles of white birch, could be an alternative source of raw material supply for wood-based composite mills.

L’écorce est une matière non-désirable pour les industriels forestiers. Ils doivent s’en départir soit par enfouissement ou par incinération et ces activités sont néfastes pour la qualité des sols et de l’air. Par conséquent, il est important de favoriser toute alternative d’utilisation de l’écorce. L’hypothèse de recherche sur laquelle se base ce projet est qu’il est possible de fabriquer des panneaux de particules faits à base d’écorce de peuplier faux-tremble (Populus tremuloides) se conformant aux normes de performance de l’American National Standards Institute (ANSI). Pour ce faire, une expérience factorielle a été mise sur pied en vue d’étudier l’effet de trois facteurs soient la masse volumique (600, 800 et 1000 kg/m³), la teneur en liant dans les couches couvrantes (6, 9 et 12 %) ainsi que le type de liant (urée-formaldéhyde et phénol-formaldéhyde) utilisé sur les propriétés physico-mécaniques des panneaux d’écorce. Chacune des combinaisons de facteurs fut répétée trois fois. Cela donnera un total de 54 panneaux de 560 X 460 X 8 mm à analyser. Cependant, les panneaux de 1000 kg/m3 avec le liant phénol-formaldéhyde n’ont pu être fabriqués dû à un problème récurrent de délamination. Les normes pour le module d’élasticité, la cohésion interne, la dilatation linéaire et la dureté ont été atteintes pour certaines combinaisons de facteurs mentionnées ci-haut. Le module de rupture et le gonflement ont été les propriétés critiques de l’étude. Les panneaux les plus performants ont été fabriqués avec le liant phénol-formaldéhyde, une masse volumique de 800 kg/m3 et une teneur en liant de 12 % dans les couches couvrantes. La comparaison des résultats obtenus pour les panneaux fabriqués avec le liant urée-formaldéhyde (UF) et le liant phénol-formaldéhyde (PF) permet de dire que les moyennes obtenues pour le module d’élasticité, le module de rupture et la cohésion interne sont plus élevées avec le liant PF. De plus, il est possible de remarquer que la moyenne obtenue pour la dureté est plus élevée avec le liant UF de même que le gonflement diminue avec le liant UF. Enfin, en ce qui concerne la dilatation linéaire, l’utilisation du liant PF ou UF n’a pas eu d’impact significatif sur les résultats. / The bark is a not-desirable matter for the forest industry. The methods used to bury or burn bark are harmful to soil and air. Consequently, it’s important to look any alternative utilization of bark. The hypothesis on which this project is based is that is possible to manufacture particleboards from trembling aspen (Populus tremuloides) bark while meeting the performance standards of the American National Standard Institute (ANSI). A factorial design was set-up to analyze the effect of three factors : panel density (600, 800 and 1000 kg/m³), resin content in the surface layer (6, 9 and 12 %) and type of binder (urea-formaldehyde and phenol-formaldehyde) on the physical and mechanical properties of the panels. Each combination of factors was repeated three times. This gave a total of 54 panels of 560 X 460 X 8 mm for the analyzis. Panels of a density of 1000 kg/m3 made with phenol-formaldehyde resin were finally not manufactured due to a recurrent problem of delamination. The standards for modulus of elasticity, internal bond strength, linear expansion and hardness were met for certain combinations of the above mentioned factors. The modulus of rupture and thickness swelling were the critical properties of this study. The best panels were manufactured with phenol-formaldehhyde resin at a density of 800 kg/m3 and a resin content of 12 % in the surface layers. The comparison of the results obtained for the panels made with urea-formaldehyde (UF) and phenol-formaldehyde (PF) shows that the average values obtained for modulus of elasticity, modulus of rupture and internal bond strentgh are higher for PF resin, the average values obtained for hardness is higher for UF resin ; thickness swelling decreased for UF resin ; and the utilization of PF or UF resin does not have a significant impact on the linear expansion.

L'objectif de cette recherche était de mettre au point une technique permettant la visualisation des résines aminoplastes sur et dans les fibres de bois de panneaux de moyenne densité (MDF). Cette technique devait à la fois permettre la mesure de la profondeur de pénétration des résines urée-formaldéhyde (UF) et urée-mélamineformaldéhyde (UMF) et l'évaluation de leur distribution sur la surface des fibres. Les systèmes d'encollages étudiés furent de type sec (mélangeur rotatif) et humide (mélangeur tubulaire). La présence de résine dans la paroi des fibres fut mise en évidence , par microscope confocal à balayage laser (MCBL) pour les deux systèmes. La pénétration de la résine peut être expliquée par la force d'ascension capillaire qui pousse les molécules de la résine dans les différents pores de la fibre lors de l'encollage. Les vitesses de pénétration n'ont pu être mesurées puisque les temps alloués aux mélanges furent suffisants pour que la pénétration soit maximale pour tous les échantillons. Nous avons remarqué que la profondeur de la pénétration dépend fortement du système d'encollage choisi. Le système d'encollage en ligne (tubulaire) présente l'avantage de mieux distribuer la résine sur la fibre avec une moyenne de 22% de la surface couverte. Cependant, l'humidité et la chaleur provoquent une pénétration plus importante de résine dans les parois cellulaires. Pour les mélangeurs humides, la profondeur maximale de pénétration correspond à l'épaisseur de la paroi cellulaire. La modélisation de la pénétration de la résine ne fut réalisée que pour les mélanges à sec où la profondeur moyenne de pénétration est de l'ordre d'un ou deux microns. En divisant cette profondeur par le temps de mélange le plus court, nous obtenons une approximation de la vitesse de pénétration. Les vitesses proposées par le modèle sont du même ordre de grandeur. Finalement, l'utilisation d'un microscope à force atomique (MFA) permit de visualiser la microstructure des fibres d'épinette préparées selon le procédé MDF. La paroi secondaire 1 (S1) et la lamelle moyenne (LM) sont très poreuses en comparaison avec la couche secondaire 2 (S2). Les pores de la paroi SI et de la LM sont de l'ordre de 20 nm en diamètre et sont le résultat d'une organisation aléatoire de petits agrégats de fibrilles. Les fibrilles de la paroi S2 forment des agrégats plus larges et enlignées selon l'axe longitudinal de la fibre. Les longs pores de cette paroi sont de l'ordre de 2-4 nm de large et ne peuvent être représentés par le MFA

Résumé La stratification à chaud des panneaux de fibres de bois à haute densité (HDF) fait parti intégrante du procédé de fabrication du plancher flottant. Cette opération n’est pas sans comporter des défis techniques pour lesquels une compréhension du phénomène de gauchissement des panneaux HDF, induit lors de la stratification, est essentielle. À cet égard, la caractérisation physico-mécanique des papiers de finition et des panneaux HDF utilisés dans la production de plancher flottant est appropriée. Les objectifs spécifiques de ce projet étaient l’évaluation du coefficient de contraction et du module d’élasticité en traction des papiers de finition, en plus de l’évaluation du coefficient de conductivité thermique des panneaux HDF. L’étude du comportement des papiers de finition a été réalisée sur trois types de papiers (feuille d’usure, papier décor et feuille de contre-balancement) dans les deux directions principales (sens machine et sens travers), et ce à trois temps de pressage (0, 10 et 20 secondes). Dix répétitions furent réalisées pour chacune des conditions expérimentales. La détermination du coefficient de conductivité thermique a été réalisée sur des panneaux HDF d’une épaisseur de 7 et 8 mm. Trois températures ont été étudiées (100, 150 et 200°C) en appliquant un différentiel de température de 25°C. Chacun des trois échantillons analysés par condition expérimentale ont été soumis à trois cycles d’essais. Le type de papier a un effet hautement significatif sur le coefficient de contraction et ce dernier augmente avec le temps de pressage et est inférieur dans le sens machine. Ces travaux ont également permis de démontrer que pour un même type de papier, le module d’élasticité est supérieur dans le sens machine et augmente avec le temps de pressage. De plus, nous avons établi que le module d’élasticité augmente linéairement avec le grammage des papiers avant imprégnation et diminue avec le contenu en résine. Dans l’étendu des masses volumiques étudiées, la variation de l’épaisseur des panneaux HDF de 7 à 8 mm n’a pas eu d’effet significatif sur la conductivité thermique. / Abstract The lamination of HDF panels is an important step in laminate flooring production. This operation involves technical challenges which require knowledge regarding HDF panel warping occurring during lamination. In this regard, the determination of the physical and mechanical properties of saturated lamination papers and HDF panels used in the production of laminate flooring is strategic. The specific objectives of this study were the determination of the contraction coefficient and modulus of elasticity in traction of saturated papers, in addition to the evaluation of HDF thermal conductivity. Three types of papers were studied (overlay, decorative paper, backer) in two directions (machine direction and cross direction) and at three pressing times (0, 10 and 20 seconds). For each combination, ten repetitions were made. The determination of thermal conductivity was established on 7 and 8 mm boards, which had a density of 871 and 918 kg/m3 respectively. Three temperatures were studied (100, 150 and 200°C) for the same temperature difference of 25°C. Three samples were analysed three times for each experimental condition. The type of paper had a highly significant impact on the contraction coefficient, which is higher in cross direction and increases with pressing time. This study has also shown that for a given paper, the modulus of elasticity in traction is higher in the machine direction and increases with pressing time. We have also established that the modulus of elasticity increases linearly with paper basic weight before impregnation and decreases linearly with resin content. Temperature had a significant impact on the thermal conductivity of HDF panels most likely due to panel moisture content variation during testing. Thickness and density of HDF panels did not have a significant effect on thermal conductivity.

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