De nombreux objets en bois ancien posent des difficultés de conservation et de restauration. En plus des problèmes liés au vieillissement naturel du bois, la conservation et la restauration des panneaux peints sont des exercices délicats de mise en œuvre, à cause des phénomènes complexes d’échanges hydriques asymétriques entre la couche picturale et le revers du tableau. Les restaurateurs du patrimoine ont cherché à éliminer la courbure du panneau par humidification et pression progressive afin de renforcer et aplanir le panneau ; ou simplement, en termes d’acte de restauration, par amincissement par l'arrière du support du tableau puis collage sur un support rigide. Entre manipulations malheureuses et stockage dans des conditions non contrôlées, cela a eu pour conséquence l’écaillage et la perte partielle de la couche picturale de certains d’entre eux, sans oublier l’initiation de fissures. Ainsi, les objets du patrimoine que nous manipulons sont des témoins précieux à la fois d'un art, d'une époque et d'un comportement à long terme du matériau considéré. Nous nous sommes intéressés, dans un premier temps, à la compréhension plus fondamentale du vieillissement du bois. Pour cela nous avons traité hygro-thermiquement à 120degree C à différentes humidités et à 50degree par cycles d'humidité des échantillons de peuplier (Populus alba). Nous avons pu mettre en avant les processus physico-chimiques et également le phénomène de réversibilité des traitements hygro-thermiques. Puis, nous avons étudié le comportement d'une partie d'un panneau peint, afin d'étudier relation bois - couche préparatoire. Nos résultats montrent que les couches préparatoires ont un comportement hygromécanique bien différent les unes des autres, et qu'il est important de connaître la composition fine de ces couches avant de pouvoir analyser le comportement global du panneau peint. Enfin, nos travaux ont concerné l’étude expérimentale, basée sur des mesures de masse en continu et des mesures de champ de déformation par stéréo-corrélation, et la simulation du comportement hygromécanique d’un panneau de bois soumis à des fluctuations hygrothermiques. Nous avons pu découpler d'un point de vue expérimental les différents composants intervenant dans l'hygromécanique du panneau peint, et nous avons œuvré pour la mise en place d'un outil de simulation numérique pouvant rendre compte des phénomènes observés. Ce travail de thèse présente donc d’un point de vue fondamental le comportement d’un panneau de bois soumis à des variations d’humidité, en lien avec les acteurs de la préservation du patrimoine (conservateurs, restaurateurs, scientifiques spécialisés dans ce domaine...) dans le but de développer des outils d’aide à la décision. / Conservation or restoration of many ancient wooden artefacts such as panel paintings is made difficult. In addition by issues linked to wood ageing, but also by the delicate situations originaling from asymmetrical moisture transfer phenomena through surface layer and wooden substrate. Conservators have tried to eradicate panels curvatures by moistening and flattening by pressure ; or simply in term of restoration act, by panel thinning followed by gluing on a rigid support. Between fortunate handling and absence of environmental control, some paint layers flaked material was partially lost, cracks opened. Indeed, the artefacts from cultural heritage that we handle are the witness of ancient times and practices, and may provide keys to the understanding of long-term behaviour of wooden structures. First, we have focused on the basic understanding of wood aging, we have made hygro-thermal treatment at 120degree C for several humidities and at 50degree C by hydric cycles on poplar samples (Populus alba). We underlined physical and chemical process and the reversible effect of heat-treated wood. Then we studied the behaviour of a painted panel part, and the relation between wood and preparatory layer. Our work shows clearly that the hygromechanical behaviour of the preparatory layer is very dependent on its composition, and that it is important to know precisely the layer composition before being able to analyse the global behavior of a panel painting. Finally, our work concerned experimental and numerical study of hygromechanical behaviour of a wooden panel, based on continuous mass weighting and measurement of strain by stereo-correlation during hygrothermal fluctuations of the environment. We decoupled experimentally the different components occurring in hygromechanics of panel painting, and we worked to set up a numerical tool allowing the simulation of observed phenomena. This thesis presents, on a fundamental point of view, the wooden panel behavior under climatic fluctuations, linking with cultural conservator actors (such as curators, conservators, scientists from cultural heritage dots) in order to develop tools to decision help.

Les anciennes peintures sur bois représentent une part importante du patrimoine culturel européen. Depuis longtemps, il est connu que les conditions de stockage peuvent entraîner des dégradations et endommagements aux panneaux. Une bonne compréhension de l'état actuel des peintures sur bois ainsi que la prédiction de leur comportement dans diverses conditions climatiques est essentielle pour mieux les conserver et les restaurer. De telles analyses peuvent être faites par le biais de la modélisation numérique. Cependant, la modélisation numérique est efficace que si les paramètres des matériaux sont équivalents à ceux de la réalité. Dans ce travail, les modifications mécaniques, physiques et chimiques qui se produisent au cours du vieillissement naturel ont été étudiées pour le bois et les couches de peintures. Les possibilités d'accélérer le vieillissement par des traitements thermo-hydrique ont été appliquées avec succès au bois. Une loi de vieillissement du bois a été trouvée pour la résistance radiale et la luminosité de la couleur. Malheureusement, une tel loi n'a pas été trouvé pour les couches de peinture. Ensuite, un modèle numérique tridimensionnel sur le comportement hygroscopique et mécanique des panneaux peints a été développé. La comparaison entre ce modèle et des expériences sont en bon accord. Finalement, une analyse de risques sur une ancienne peinture a montré que des fluctuations d'humidité relative normales ne devraient pas promouvoir de dommages dans le support en bois, mais la fissuration de la couche picturale est possible. / Ancient wood panel paintings represent an important part of the European cultural heritage. Since long time it is known that the storing condition can degrade and damage them. Understanding of the actual state of old panel paintings and the prediction of their behaviour under various climatic conditions is essential to better conserve and restore them. Such analysis could be done by numerical modelling. However, numerical modelling can achieved good predictions only if the materials parameters are adequately determined. In this work, the mechanical, physical and chemical modifications occurring during natural aging have been investigated for wood and paint layers. The possibility to accelerate the aging with thermo-hydro treatments has been successfully applied to wood. A wood aging law has been found for the radial strength and the lightness. Unfortunately, no such law has been found for the paint layers. The hygroscopic and mechanical behaviour of panel paintings has been then simulated in 3D by finite element method model including time dependent behaviour. The comparison between the model and experiments shows good agreement. Finally, risk analysis on an old painting shows that normal climate fluctuation should not promote cracks in the wooden support but the cracking of the ground layer is possible.

Avant la généralisation des toiles vers le XVI-XVIIème siècle, le bois a servi de support à d'innombrables peintures qui constituent aujourd'hui une part importante, dans les musées et les églises notamment, de notre patrimoine culturel. Après plusieurs siècles d'existence, les planches servant de support aux panneaux peints sont très souvent courbées : cette courbure est généralement imputée à la présence unilatérale de la couche picturale, imposant des échanges asymétriques d'humidité entre le bois, matériau hygroscopique, et son environnement de conservation. Par ailleurs il existe dans ces déformations une forte contribution de l'orthotropie cylindrique du bois qui est une conséquence de la croissance des arbres. Enfin, l'historique des variations hygrométriques à proximité d'un panneau peint renvoie à l'étude plus générale du comportement thermo-hygro-mécanique différé du bois. Une compréhension d'ensemble de ces phénomènes doit permettre d'orienter des décisions difficiles de conservation, notamment celles relatives au déplacement des œuvres ou à la maîtrise des environnements dans les musées. Nous proposons dans ce travail une approche générale de mécanique du matériau et des structures bois appliquée aux panneaux peints. La méthode utilisée intègre des moyens expérimentaux en laboratoire et sur des œuvres in-situ, des méthodes numériques, et l'accent est mis sur le lien fort existant entre les aspects " comportement " propres au bois (anisotropie, couplages hygromécaniques, etc.) et les aspects de structure relatifs aux panneaux peints (débit des planches, efforts extérieurs dus à leur assemblage, etc.). Un outil de calcul basé sur la modélisation mécanique des plaques orthotropes est développé. Il prend appui sur un code préexistant de transfert de masse et de chaleur décrivant les mouvements d'eau dans le support. Ce code de calcul complet est utilisé notamment sur un cas d'étude : un panneau peint de 500 ans environ, en situation d'exposition dans une église.