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1 Le bois de construction Introduction: Le bois est un matériau de construction

1 Le bois de construction Introduction: Le bois est un matériau de construction ancestral, qui compose la structure de bâtiments historiques. Horyu-Ji, la plus ancienne pagode en bois a été construite au VIIe siècle à Nara, au Japon. Dans le domaine de la construction, l’utilisation du bois, matériau entièrement renouvelable, apporte des réponses environnementales concrètes, notamment en matière de lutte contre l’effet de serre. À cette dimension s’ajoutent les qualités esthétiques, techniques, économiques, mais aussi symboliques, d’un matériau qui est l’une des bases des cultures de la construction et de la création d’espaces. Grâce aux constantes évolutions des techniques et des savoir-faire qui lui sont liés, le bois accompagne aujourd’hui la créativité contemporaine. Il retrouve une place majeure dans l’art de bâtir et dans les paysages urbains et ruraux. Le bois, matériau de toujours : L’architecture et les acteurs de la construction retrouvent aujourd’hui avec le bois un matériau tout à la fois traditionnel, résolument contemporain et pleinement futuriste. Définition: Le bois est un matériau de construction naturel, fibreux (les fibres serrés et denses bois dur ,lâches chez les bois tendre, les fibres assurent la rigidité et la résistance du bois ) , est un matériau issu de l’activité biologique de l’arbre. La coupe transversale d’un tronc d’arbre fait apparaître cinq parties différentes : -L’écorce, composée de cellules mortes ; -Le liber, dont la majorité des cellules qui le compose est également morte ; -Le cambium, qui constitue la partie du tronc dans laquelle se produit la croissance radiale ; -L’aubier, composé de cellules vivantes en voie de « duraminisation ». Les cellules de l’aubier transportent la sève brute des racines aux feuilles ; -Le duramen (ou bois parfait), composé de cellules mortes qui ont terminé leur évolution. Figure 1: Coupe d’un tronc d’arbre Il existe sur la terre près de 3000 espèces de végétaux ligneux donnant du bois , identifiables par leur composition chimique et la structure de leur tissu . Ces espèces sont réparties en trois classes: - Les résineux: en raison de la résine qu'ils secrètent, une substance visqueuse utilisée dans la fabrication de nombreux produits. Les résineux sont appelés aussi conifères car leurs fruits sont généralement en forme de cônes. Ils sont reconnaissables par leurs feuilles fines, pointues et résistantes, les aiguilles, qu’ils ne perdent d’ailleurs pas en automne (feuillage persistant). Les résineux sont en général plus tendres et plus légers que les feuillus. Ils poussent plus vite et sont de ce fait moins chers. Les plus connus sont le sapin, l’épicéa, cyprès, le douglas, le pin, le mélèze, le cèdre. - Les feuillus: les arbres sont à feuilles larges au feuillage caduc (les feuilles qui jaunissent en automne puis tombe) ou persistant, poussent dans les régions tempérées. En Méditerranée, le chêne 2 vert ne perd pas ses feuilles en hiver. Les arbres feuillus sont dotés d’un bois dur, stable et plus dense que les résineux. Ils sont donc très résistants. Parmi les feuillus les plus connus, on peut citer le chêne, le frêne, le hêtre, l’acajou, le bouleau, l’érable, le peuplier, le châtaignier, etc. Figure 2: Les conifères Le bois exotique: également appelé bois tropical, est un bois dur. Il est produit en Afrique, en Amérique du Sud ou encore en Asie. Les essences tropicales qui sont particulièrement denses et dures, ont une grande durabilité. Parmi les bois exotiques les plus connus, on peut citer le cumaru, l’ipé, le muiracatiara, le padouk, le teck, le merbau, le pyinkado, le tamarindo… La composition chimique du bois: La structure tubulaire du bois constituée de très fines fibres de cellulose, reliées par la lignine. À ces constituants principaux viennent s’ajouter des substances mineures, extractibles de nature organique et cendres. Les caractéristiques du matériau bois: Le matériau bois présente de fait une très grande variabilité dans ses propriétés. Cette variabilité, résulte de l’histoire de la pièce de bois de structure, elle dépend de la génétique, de la sylviculture, du milieu (climat, sol, altitude...), elle est le résultat des facteurs structuraux liés à l’anatomie du bois (aubier, duramen, bois initial, bois final...), elle dépend enfin de l’histoire des traitements éventuels appliqués au matériau (séchage, reprise d’humidité...) et de son caractère hygroscopique, anisotrope et hétérogène. Le bois est un matériau anisotrope. Du fait de sa constitution fibreuse, ses propriétés mécaniques varient en fonction de la direction d’application de l’effort. Trois directions d’observation principales sont définies : longitudinale, radiale et tangentielle (Figure 3). Les propriétés importantes à prendre en compte dans l’utilisation du bois sont: Figure 3: Trois directions longitudinale, radiale et tangentielle La masse volumique et densité: le bois est un matériau de construction léger, sa masse volumique est très liée au propriétés mécaniques et technologiques. La masse volumique du bois est voisine de 1530 Kg/m3, La masse 3 volumique du bois varie fortement en fonction de différents paramètres tels que la teneur en eau, la localisation dans l’arbre, l’essence de bois ou les conditions de croissance de l’arbre. La masse volumique d’un bois sera toujours précisée par sa teneur en eau. Tableau 1: Masse volumique moyenne du bois (pour une teneur en eau 12%) Matériau Masse volumique en Kg/m3 Epicéa (résineux) 400 à 500 Chêne 650 à 800 La teneur en eau du bois: Le bois retient une certaine quantité d’eau en fonction du degré d’hygrométrie de l’air dans lequel il se trouve. La quantité d’eau présente dans l’arbre varie également avec l’essence, la zone considérée (aubier ou duramen), la zone de bois initial ou de bois final dans le cerne. En fonction de la température et surtout de l’humidité de l’air ambiant, le bois se stabilise à une humidité d’équilibre, dite équilibre hygroscopique, qui est indépendante de l’essence. Les valeurs des caractéristiques sont données pour le bois à un taux d’humidité de 12 %. Retrait et gonflement: Le retrait et le gonflement sont directement proportionnels à la diminution ou à l’augmentation teneur en eau du bois. L’amplitude des variations dimensionnelles observées dépend : -De la direction d’anisotropie (L, T ou R) ; -De l’essence ; Propriétés thermique du bois: Le bois est tout à la fois un matériau combustible, mauvais conducteur thermique, à faible dilatation thermique et au comportement mécanique hautement sécurisant en cas d’incendie dans les constructions. Le bois présente la particularité de voir ses propriétés mécaniques augmenter et de ne pas tendre vers un comportement fragile aux très basses températures. Coefficient de dilatation thermique: La dilatation thermique du bois est faible, cette faible dilatation thermique est très utile par exemple en cas d’incendie, les points d’appuis restant efficients. Conductivité thermique: La conductivité thermique du bois dépend directement de sa densité, du taux d’humidité et de la direction considérée, soit parallèlement aux fibres (direction L), soit perpendiculairement à celles-ci (directions R et T). Les valeurs de conductivité thermique du bois et de ses dérivés sont largement inférieures à celles de la plupart des matériaux de construction utilisés en structure. Tableau 2: Conductivité thermique du bois (pour une teneur en eau 12%) Matériau Conductivité thermique en W/m°C Epicéa direction L 0,2 Epicéa direction R et T 0,13 Chêne direction L 0,3 Chêne direction R et T 0,2 Comportement au feu-Carbonisation du bois : Le matériau bois présente un certain nombre d’avantages en situation d’incendie. Il ne se déforme pas et brûle lentement laissant le temps nécessaire à la sécurité des personnes, C’est grâce à la couche périphérique carbonisée, qui brûle moins bien et qui ralentit la vitesse de pénétration du feu. Ses propriétés thermiques sous-entendent un comportement compétitif vis-à-vis d’une exposition au feu, en comparaison aux autres matériaux de construction. 4 Comportement mécanique du bois: Les propriétés mécanique du bois, varient en fonction des essences, des conditions de croissance, du taux d’humidité, de la présence plus ou moins marquée de singularités et des variations anatomiques (nœuds, fentes, rectitude du fil, largeur des cernes d’accroissement ), de la direction dans laquelle le matériau est sollicité et le type de sollicitation: Le bois est très résistant dans le sens axial et peu dans le sens transversal, un comportement fragile en traction longitudinale ou transversale, un comportement « élasto‐plastique » en compression. En cisaillement pur le comportement est fragile. Tableau 3: Résistance à la rupture moyenne (pour une teneur en eau 12%) Matériau Compression en MPa Traction en MPa Epicéa direction L 35 à 45 90 à 100 Epicéa direction T 6 à 8 1,2 Chêne direction L 40 à 60 100 à 120 Chêne direction T 12 à 15 3 Classification du matériau bois selon la résistance: Les bois de structure sont répartis en classes de résistance désignées chacune par une lettre : -C pour les résineux; -D pour les feuillus ; -GL pour le bois lamellé collé. Le nombre suivant la ou les lettres indique la valeur caractéristique de résistance caractéristique en flexion longitudinale en MPa (ou en N/mm2). Exemple : un bois classé C22 correspond à une pièce de structure résineux ayant une résistance caractéristique en flexion de 22 MPa. Tableau 4: Caractéristiques mécaniques pour le calcul de structures en bois (pour une teneur en eau 12%) Caractéristique Classe uploads/Ingenierie_Lourd/ bois-de-constr1-pdf.pdf