L'effet du temps sur le comportement mécanique du matériau bois est déterminant aussi bien dans l'étude biomécanique de des arbres, que dans la réponse des structures bois ou encore dans l'optimisation des procédés de transformation et de conservation de ce matériau. Du fait de la nature polymérique de ses constituants, le bois présente une viscoélasticité fortement dépendante de l'humidité et de la température de l'environnement. Une variation de la teneur en eau sous chargement mécanique a pour effet d'accroître le fluage ou la relaxation, connu sous le nom d'effet mécanosorptif. Les phénomènes mécanosorptifs sont généralement considérés comme indépendants du temps. Toutefois, les contributions du temps et des variations de teneur en eau sont délicates à séparer. Une approche phénoménologique expérimentale a été mis en oeuvre à partir d'essais de fluage à long terme pour décrire la cinétique d'évolution longitudinale d'origine viscoélastique et l'extrapoler au moyen de modèles paraboliques. Les résultats obtenus ont permis d'évaluer un niveau limite de complaisance pour des temps infinis. Les effets mécanosorptifs ont pu être comparés à cette description viscoélastique semblant mettre en évidence des phénomènes irréversibles. La compréhension des mécanismes en jeu lors de ces processus complexes à fait l'objet d'une étude particulière du comportement in-situ de la cellulose par des expérimentations de diffraction de rayons X. Ce travail a montré un comportement de la cellulose cristalline se déformant proportionnellement à la déformation macroscopique. Le travail réalisé vise à apporter des éléments fondamentaux pour améliorer la compréhension des mécanismes de déformation du bois, confronter les normes en vigueur dans son usage à long terme en structure (Eurocodes 5) et développer les lois de comportement mécaniques macroscopiques.

L'effet du temps sur le comportement mécanique du matériau bois est déterminant aussi bien dans l'étude biomécanique de des arbres, que dans la réponse des structures bois ou encore dans l'optimisation des procédé de transformation et de conservation de ce matériau.Du fait de la nature polymérique de ses constituants, le bois présente une viscoélasticité fortement dépendante de l'humidité et de la température de l'environnement. Une variation de la teneur en eau sous chargement mécanique a pour effet d'accroître le fluage ou la relaxation, connu sous le nom d'effet mécanosorptif. Les phénomènes mécanosorptifs sont généralement considérés comme indépendants du temps. Toutefois, les contributions du temps et des variations de teneur en eau sont délicates à séparer.Une approche phénoménologique expérimentale a été mis en oeuvre à partir d'essais de fluage à long terme pour décrire la cinétique d'évolution longitudinale d'origine viscoélastique et l'extrapoler au moyen de modèles paraboliques. Les résultats obtenus ont permit d'évaluer un niveau limite de complaisance pour des temps infinis. Les effets mécanosorptifs ont pu être comparés à cette description viscoélastique semblant mettre en évidence des phénomènes irréversibles.La compréhension des mécanismes en jeu lors de ces processus complexes à fait l'objet d'une étude particulière du comportement in-situ de la cellulose par des expérimentations de diffraction de rayons X. Ce travail a montré un comportement de la cellulose cristalline se déformant proportionnellement à la déformation macroscopique jusqu'à l'application d'une valeur seuil pour laquelle la cellulose ne se déforme plus.Le travail réalisé vise à apporter des éléments fondamentaux pour améliorer la compréhension des mécanismes de déformation du bois, confronter les normes en vigueur dans son usage à long terme en structure (Eurocodes 5) et développer les lois de comportement mécaniques macroscopiques. / The effect of time on mechanical behaviour of wood is decisive for biomechanical study of trees as well as response of timber structures or improvement of transformation process and preservation of this material.Originating from the polymeric nature of its constituents, wood presents a viscoelastic behaviour highly dependent on humidity and temperature of the environment. A moisture content change combined with mechanical loading creates an increase of creep or relaxation, known as mechanosorptive effect. Mechanosorptive effects are usually considered as time-independent. However the contributions of time and moisture content change are delicate to separate.An experimental phenomenological approach has been implemented based on long term creep test to describe longitudinal viscoelastic kinetics of evolution and extrapolate using parabolic models. The results obtained allow to quantify a finite value of compliance to infinite time. Mechanosorptive effects have been compared to this viscoelastic description and figure out irreversible phenomena.To understand the underlying mechanisms a specific analysis of in-situ cellulose behaviour by X-ray diffraction experiments has been conducted. The behaviour of crystalline cellulose reveals a proportional relation to macroscopic strain until a limit value is reached where the cellulose does not deform any more.The work performed aims at gathering fundamental elements for a better understanding of deformation mechanisms of wood, setting actual standards against the long term creep prediction of timber (Eurocode 5) and developping constitutive equations of wood.

La maîtrise du procédé séchage, étape essentielle dans la transformation du bois, est devenue incontournable pour la filière bois. Cette thèse propose l'utilisation de conduites de séchage oscillantes pour réduire les contraintes de séchage liées au retrait par l'activation du fluage mécanosorptif. A ce jour, la meilleure façon d'appliquer les conduites oscillantes représente un défi pour la communauté scientifique. Dans ce travail, nous avons choisi comme matériel d'étude une essence feuillue fortement utilisée dans la filière et très susceptible aux déformations lors du séchage : le hêtre (Fagus sylvatica). L'effet des conduites oscillantes sur les contraintes de séchage est étudié par une approche expérimentale et par une approche théorique, articulées en trois parties : - Un premier volet expérimental sur un séchoir semi - industriel pour saisir l'effet global des conduites oscillantes à l'échelle d'une pile de planches. L'amélioration de la qualité du bois séché s'est avérée par : une meilleure homogénéité de la teneur en eau finale inter et intra-planche, la diminution des déformations globales et la diminution des contraintes résiduelles exprimées par le gap du " slicing test ". - Ensuite, nous avons développé un volet théorique sur la base de modélisations analytique et numérique pour étudier l'évolution des champs de teneur en eau et de contraintes mécaniques au sein d'une planche lorsque les conditions climatiques oscillent. Une formulation analytique simple, adaptée aux conduites oscillantes, est proposée pour les utilisateurs de séchoirs n'ayant pas accès à un outil numérique sophistiqué. L'approche numérique effectuée avec l'outil de simulation TransPore permet une étude plus réaliste du séchage oscillant. Ainsi, le module mécanique de TransPore a été utilisé pour dégager des configurations pertinentes de séchage permettant d'étudier l'effet des conduites oscillantes sur la relaxation des contraintes. - Enfin, un second volet expérimental a été réalisé sur un séchoir de laboratoire, à l'échelle d'une planche, pour tester les informations issues du volet théorique. Un dispositif de séchage dissymétrique (flying wood) et deux dispositifs de séchage sous charge (poutre cantilever et flexion trois points) ont été utilisés pour étudier l'effet des oscillations. Toutefois, ces essais ne permettent pas de montrer clairement l'effet des oscillations sur la relaxation des contraintes. La confrontation entre les résultats expérimentaux à l'échelle d'une planche et la simulation numérique a mis en évidence l'effet conséquent des oscillations parasites de faibles période et amplitude sur les résultats expérimentaux, provoquées par la régulation du séchoir. Des modifications du modèle de comportement mécanique différé ont été proposées en perspectives de ce travail afin de mieux saisir le comportement observé expérimentalement.

Le séchage du bois d’œuvre étant une opération très énergivore, l’utilisation des énergies intermittentes est l’une des solutions envisageables afin de réduire la consommation énergétique au cours de cette opération. Néanmoins, ne pouvant utiliser les conduites de séchage actuellement préconisées à cause de la fluctuation de l’apport énergétique, l’utilisation de ce type d’énergies soulève plusieurs questions notamment sur l’impact de la fluctuation de la température sur la qualité du séchage et les conduites de séchage à adopter afin de réaliser un compromis entre durée, qualité et coût. Ce travail de thèse vise à apporter des réponses à ces questions par une approche équilibrée entre expérimentation et modélisation. L’étude expérimentale a montré que l’intermittence des conditions de séchage ne ralentit pas la cinétique de séchage par rapport à un séchage où la teneur en eau d’équilibre et la température moyenne sont identiques et maintenues constantes. De plus, une meilleure qualité semble pouvoir être obtenue par l’intermittence des conditions de séchage. Ces résultats ont été confrontés aux simulations d’un modèle numérique double échelle utilisant le code TransPore à l’échelle de la planche. Son potentiel prédictif a été vérifié et il a ensuite été utilisé pour mieux comprendre l’effet des conditions intermittentes sur la qualité et la durée du séchage à l'échelle d'une planche seule et à l'échelle d'une pile de planches. Il a permis de montrer que l’oscillation des conditions de séchage active la mécanosorption et relaxe une partie des contraintes de séchage. Les gains apportés sont limités à l’échelle d’une planche seule, mais ils peuvent être plus importants à l’échelle d’une pile de planches. Le séchage intermittent s’avère plus intéressant pour un séchage lent tel qu’un séchage à basse température, des essences plus difficiles à sécher ou encore pour des planches de fortes épaisseurs. Le code a été ensuite utilisé pour comparer différentes stratégies de séchage à basse température. Un compromis a pu être obtenu entre durée et qualité en réalisant un pré-séchage avec une énergie intermittente à basse température suivi d’un séchage convectif à plus haute température cependant la durée reste longue pour les autres configurations imposant une étude de faisabilité économique. Un module économique a été développé en Fortran et greffé dans le code numérique multi-échelle Planche-Pile-Séchoir afin d’intégrer le critère coût dans l’étude des différentes stratégies / Timber drying is an energy intensive process, the use of intermittent energy sources is one of the possible solutions to reduce energy consumption during this operation. However, the use of the conventional drying schedules is not suitable because of the fluctuation of energy intake, the use of this type of energy raises several issues as the impact of the fluctuation of temperature on drying quality, or the drying strategies to use in order to achieve a compromise between time, quality and cost. This thesis aims to provide answers to these questions through a balanced approach between experimentation and modeling. The experimental study has shown that intermittent drying conditions do not slow the drying rate compared to drying wherein the equilibrium moisture content and the average dry bulb temperature are identical and maintained constant during drying. Moreover, better quality seems to be obtained by the intermittent drying conditions. These results were compared to simulations of a dual scale numerical model using the code TransPore at the board scale. Its predictive potential was checked and it was later used to better understand the effect of intermittent conditions on the drying quality and time at the board and stack scales. It showed that the oscillation of drying conditions activates the mechanosorption and relaxes some of drying stresses. The benefits on the drying quality are limited when a single board is dried, but benefits may be more important when a boards stack is dried. The intermittent drying seems to be more interesting in the case of slow drying such as drying at low temperature, more difficult species to dry or for thick timbers. The code was then used to compare different drying strategies at low temperature level with oscillate conditions. A compromise was reached between duration and quality by achieving a pre-drying using a low temperature intermittent drying followed by convective drying at higher temperatures, however, the drying time is still long for other configurations imposing an economic feasibility study. An economic module was developed in Fortran and grafted in the multiscale computational model Board-Stack-Kiln to integrate the cost criterion in the study of the different strategies

La maîtrise du procédé séchage, étape essentielle dans la transformation du bois, est devenue incontournable pour la filière bois. Cette thèse propose l'utilisation de conduites de séchage oscillantes pour réduire les contraintes de séchage liées au retrait par l'activation du fluage mécanosorptif. A ce jour, la meilleure façon d'appliquer les conduites oscillantes représente un défi pour la communauté scientifique. Dans ce travail, nous avons choisi comme matériel d'étude une essence feuillue fortement utilisée dans la filière et très susceptible aux déformations lors du séchage : le hêtre (Fagus sylvatica). L'effet des conduites oscillantes sur les contraintes de séchage est étudié par une approche expérimentale et par une approche théorique, articulées en trois parties : - Un premier volet expérimental sur un séchoir semi – industriel pour saisir l'effet global des conduites oscillantes à l'échelle d'une pile de planches. L'amélioration de la qualité du bois séché s'est avérée par : une meilleure homogénéité de la teneur en eau finale inter et intra-planche, la diminution des déformations globales et la diminution des contraintes résiduelles exprimées par le gap du « slicing test ». - Ensuite, nous avons développé un volet théorique sur la base de modélisations analytique et numérique pour étudier l'évolution des champs de teneur en eau et de contraintes mécaniques au sein d'une planche lorsque les conditions climatiques oscillent. Une formulation analytique simple, adaptée aux conduites oscillantes, est proposée pour les utilisateurs de séchoirs n'ayant pas accès à un outil numérique sophistiqué. L'approche numérique effectuée avec l'outil de simulation TransPore permet une étude plus réaliste du séchage oscillant. Ainsi, le module mécanique de TransPore a été utilisé pour dégager des configurations pertinentes de séchage permettant d'étudier l'effet des conduites oscillantes sur la relaxation des contraintes. - Enfin, un second volet expérimental a été réalisé sur un séchoir de laboratoire, à l'échelle d'une planche, pour tester les informations issues du volet théorique. Un dispositif de séchage dissymétrique (flying wood) et deux dispositifs de séchage sous charge (poutre cantilever et flexion trois points) ont été utilisés pour étudier l'effet des oscillations. Toutefois, ces essais ne permettent pas de montrer clairement l'effet des oscillations sur la relaxation des contraintes. La confrontation entre les résultats expérimentaux à l'échelle d'une planche et la simulation numérique a mis en évidence l'effet conséquent des oscillations parasites de faibles période et amplitude sur les résultats expérimentaux, provoquées par la régulation du séchoir. Des modifications du modèle de comportement mécanique différé ont été proposées en perspectives de ce travail afin de mieux saisir le comportement observé expérimentalement. / Wood drying is an essential process in the wood industry. A perfect control of wood drying is nowadays very important for the wood industry. In this study, we propose the utilization of oscillating drying conditions to reduce the drying stresses induced by wood shrinkage by activating the mechanosorptive creep. The best way to apply this concept remains an open question in the scientific community. Beech wood (Fagus sylvatica), one of the most commonly used hardwood in France, was chosen for this study owing its elevated risk of drying defaults. The effect of oscillating conditions on drying stresses inside the boards was studied by both an experimental and a theoretical approach, structured in three parts: - A first experimental part realized with a semi – industrial kiln in order to study the global effect of oscillating conditions at the stack scale. Improvement of the quality of dried wood was showed by the best homogeneity of water content inside the board and among the boards and by the decrease of global deformations and residual stresses expressed by the gap measured by the slicing test. - The study was continued with a theoretical part based on analytical and numerical modeling to understand the development of internal heat and mass transfers inside the boards and the evolution of drying stresses during oscillating conditions. A simple analytical model adapted to the oscillating conditions was proposed, particularly for kiln users who don't have access to sophisticated numerical tools. The numerical approach used the simulation tool TransPore, able to simulate oscillating drying in more realistic conditions. Its mechanical module was used to set accurate drying schedules to study the effect of oscillating conditions on stresses relaxation. - Finally, a second experimental part was performed in a laboratory scale kiln, at the board scale, to test the information obtained theoretically. A non-symmetrical drying device (flying wood) and two different loaded drying devices (cantilever beam test and three points bending) were used to study the effect of oscillations. However, it is difficult to see the oscillating conditions effect on the stresses relaxation. The confrontation between experimental results at the board scale and the numerical simulation showed the significant effect produced on experimental results by parasite oscillations of small periods and intensities, originated by the kiln regulation. Further work should consider some modifications of the time dependent mechanical behavior model in order to capture the experimentally observed behavior.

Cette thèse est consacrée à la simulation du comportement à la rupture de bois sous des chargements à long terme et sous des conditions d'Humidité Relatives (HR) de l'air variables. Il est connu que le bois est un matériau fortement hygroscopique, ses propriétés mécaniques et de rupture sont en effet très dépendantes de sa teneur en eau. En outre, la stabilité d'une fissure existante dans un élément structural peut être fortement influencée parles variations, en particulier brusques, d'humidité relative qui peut conduire à la rupture inattendue de l'élément.L'approche thermodynamique proposée intègre l'effet de mécanosorption dans l'expression analytique de la déformation, en découplant les déformations mécaniques et celles dues au comportement mécanosorptif du matériau. En outre, la rupture quasi-fragile du matériau boisest traduite par un modèle de zone cohésive dont les paramètres de cohésion sont fonctions de la teneur en eau afin de simuler l’effet de l'humidité sur les propriétés de rupture. Sur cette base, une formulation incrémentale permet l'intégration de l'effet des variations soudaines d’humidité relative (autrement dit, le choc hydrique) sur la zone d’élaboration(zone cohésive) en introduisant un champ de contraintes supplémentaires le long de cette zone. Fonction de la variation de HR, ce champ de contraintes supplémentaires dépend de l'état de contrainte et de l'ouverture de la fissure le long de la zone cohésive, mais également de l'humidité en pointe de fissure (matériau non endommagé). Dans l'analyse par éléments finis, un opérateur tangent algorithmique est utilisé pour résoudre le problème non linéaire en combinant le modèle de mécanosorption et le modèle de zone cohésive et en intégrant l'effet du choc hydrique.La simulation du comportement d'une éprouvette entaillée soumise à un chargement constant et à des variations cycliques de HR montre un fort couplage entre le comportement mécanosorptif et l'effet du choc hydrique HR sur la zone d’élaboration. Ce couplage entraîne une augmentation de la propagation des fissures et conduit à une fissuration plus précoce par rapport à celle obtenue à partir du modèle de mécanosorption seul ou à partir du modèle de zone cohésive en intégrant l'effet des variations soudaines de HR. En outre, le couplage entre le modèle mécanosorptif et le modèle de zone cohésive en intégrant l'effet du chochydrique montre l'intérêt d'une telle approche numérique pour décrire le comportement complexe des éléments de charpente en bois soumis à des conditions climatiques variables,comportement qui ne peut être prédit par une simple superposition des deux modélisations. / This thesis is dedicated to the simulation of the fracture behavior of wood under long-termloading and variable relative humidity conditions. Indeed, wood is well-known to be a highlyhygroscopic material in so far as its mechanical and fracture properties are very dependenton moisture. Moreover, the stability of an existent crack in a structural element can bestrongly affected by the sudden variations of relative humidity (RH) and can lead tounexpected failure of the element.The thermodynamic approach proposed in this thesis includes the mechano-sorptive effect inthe analytical expression of the deformation, by operating a decoupling of the strain in amechanical part and a mechano-sorptive part in material. Moreover, the quasi-brittle fractureof wood is here simulated from a cohesive zone model whose cohesive parameters arefunctions of the moisture in order to mimic the moisture-dependent character of the fractureproperties. On this basis, an increment formulation allows the integration of the effect ofsudden RH variations on the fracture process zone (cohesive zone) by introducing anadditional stress field along this zone. As a function of the RH variation, this additional stressfield depends on not only the stress state and the crack opening along the cohesive zone butalso the material moisture ahead of the zone (undamaged material). In the finite elementanalysis, an algorithmic tangent operator is used to solve the non-linear problem combiningmechano-sorptive model and cohesive zone model including the effect of sudden RHvariations.The simulation of a notched structural element submitted to a constant load and cyclic RHvariations exhibits a strong coupling between the mechano-sorptive behavior and the effectof the RH variations on the fracture process zone (FPZ). This coupling results in an increaseof the crack propagation kinetic and leads to a precocious failure compared to those obtainedfrom the mechano-sorptive model or from the effect of sudden RH variations on the FPZ.Moreover, the coupling between the mechano-sorptive model and the effect of sudden RHvariations on the FPZ which cannot be predicted by a simple superposition of both effects,showing the interest of such a numerical approach in order to describe the complex behaviorof wood structural elements submitted to variable climatic conditions.