Études de cas pratique

EGC

Effets de l’humidité sur le bois

Effets de l’Humidité sur le Bois

Comprendre les Effets de l’Humidité sur le Bois

Le bois est un matériau hygroscopique, ce qui signifie qu'il absorbe ou rejette l'humidité de l'air ambiant jusqu'à atteindre un équilibre. Ces variations d'humidité entraînent des variations dimensionnelles : le bois gonfle lorsqu'il absorbe de l'humidité (gonflement) et se contracte lorsqu'il en perd (retrait). Ces phénomènes sont anisotropes (différents selon les directions du bois : axiale, radiale, tangentielle) et doivent être pris en compte dans la conception pour éviter des désordres (jeux, déformations, contraintes internes).

Données de l'étude

On étudie une planche de bois (résineux) utilisée en menuiserie extérieure.

Caractéristiques initiales de la planche :

  • Largeur initiale (\(b_0\)) : \(120 \, \text{mm}\) (direction tangentielle principale)
  • Épaisseur initiale (\(h_0\)) : \(25 \, \text{mm}\) (direction radiale principale)
  • Longueur initiale (\(L_0\)) : \(1000 \, \text{mm}\) (direction axiale/longitudinale)
  • Humidité initiale (\(H_0\)) : \(18\%\)

Conditions finales et propriétés du bois :

  • Humidité finale (\(H_f\)) : \(10\%\) (après séchage)
  • Coefficient de retrait tangentiel (\(\beta_T\)) : \(0.0030\) par % de variation d'humidité (soit 0.30 %/%)
  • Coefficient de retrait radial (\(\beta_R\)) : \(0.0015\) par % de variation d'humidité (soit 0.15 %/%)
  • Coefficient de retrait longitudinal (\(\beta_L\)) : \(0.0001\) par % de variation d'humidité (soit 0.01 %/%)

Hypothèse : Les variations dimensionnelles sont considérées comme linéaires dans la plage d'humidité étudiée (sous le point de saturation des fibres, généralement autour de 30%).

Schéma : Variation Dimensionnelle d'une Pièce de Bois
État Initial (H₀) b₀ h₀ État Final (Hf < H₀) b_f h_f Δb/2 Δb/2

Illustration du retrait d'une pièce de bois suite à une diminution d'humidité.

Questions à traiter

  1. Calculer la variation d'humidité (\(\Delta H\)).
  2. Calculer la variation de largeur (\(\Delta b\)) de la planche.
  3. Calculer la largeur finale (\(b_f\)) de la planche.
  4. Calculer la variation d'épaisseur (\(\Delta h\)) de la planche.
  5. Calculer l'épaisseur finale (\(h_f\)) de la planche.
  6. Calculer la variation de longueur (\(\Delta L\)) et la longueur finale (\(L_f\)) de la planche. Commenter ce résultat.

Correction : Effets de l’Humidité sur le Bois

Question 1 : Variation d'Humidité (\(\Delta H\))

Principe :

La variation d'humidité est la différence entre l'humidité finale et l'humidité initiale. Un résultat négatif indique un séchage (perte d'humidité), un résultat positif indique une humidification (gain d'humidité).

Formule(s) utilisée(s) :
\[\Delta H = H_f - H_0\]
Données spécifiques :
  • Humidité finale (\(H_f\)) : \(10\%\)
  • Humidité initiale (\(H_0\)) : \(18\%\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \Delta H &= 10\% - 18\% \\ &= -8\% \end{aligned} \]

Le signe négatif indique une perte d'humidité (séchage).

Résultat Question 1 : La variation d'humidité est \(\Delta H = -8\%\).

Question 2 : Variation de Largeur (\(\Delta b\))

Principe :

La variation dimensionnelle d'une pièce de bois est proportionnelle à sa dimension initiale, à la variation d'humidité (en points de pourcentage) et au coefficient de retrait/gonflement spécifique à la direction considérée. Pour la largeur, qui est principalement dans la direction tangentielle, on utilise \(\beta_T\).

Une variation d'humidité négative (séchage) entraîne une variation dimensionnelle négative (retrait).

Formule(s) utilisée(s) :
\[\Delta b = b_0 \times \beta_T \times \Delta H\]

Où \(\Delta H\) est la variation d'humidité en points de pourcentage (ex: si H passe de 18% à 10%, \(\Delta H = 10-18 = -8\)).

Données spécifiques :
  • Largeur initiale (\(b_0\)) : \(120 \, \text{mm}\)
  • Coefficient de retrait tangentiel (\(\beta_T\)) : \(0.0030\) (par % de variation d'humidité)
  • Variation d'humidité (\(\Delta H\)) : \(-8\) (points de %)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \Delta b &= 120 \, \text{mm} \times 0.0030 \times (-8) \\ &= 120 \times (-0.024) \, \text{mm} \\ &= -2.88 \, \text{mm} \end{aligned} \]

Le signe négatif indique un retrait (diminution de la largeur).

Résultat Question 2 : La variation de largeur est \(\Delta b = -2.88 \, \text{mm}\).

Question 3 : Largeur Finale (\(b_f\))

Principe :

La largeur finale est la largeur initiale à laquelle on ajoute la variation de largeur calculée (qui peut être négative en cas de retrait).

Formule(s) utilisée(s) :
\[b_f = b_0 + \Delta b\]
Données spécifiques :
  • Largeur initiale (\(b_0\)) : \(120 \, \text{mm}\)
  • Variation de largeur (\(\Delta b\)) : \(-2.88 \, \text{mm}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} b_f &= 120 \, \text{mm} + (-2.88 \, \text{mm}) \\ &= 120 - 2.88 \\ &= 117.12 \, \text{mm} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La largeur finale de la planche est \(b_f = 117.12 \, \text{mm}\).

Question 4 : Variation d'Épaisseur (\(\Delta h\))

Principe :

Similaire au calcul de la variation de largeur, mais en utilisant le coefficient de retrait radial (\(\beta_R\)) car l'épaisseur est principalement dans la direction radiale.

Formule(s) utilisée(s) :
\[\Delta h = h_0 \times \beta_R \times \Delta H\]
Données spécifiques :
  • Épaisseur initiale (\(h_0\)) : \(25 \, \text{mm}\)
  • Coefficient de retrait radial (\(\beta_R\)) : \(0.0015\) (par % de variation d'humidité)
  • Variation d'humidité (\(\Delta H\)) : \(-8\) (points de %)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \Delta h &= 25 \, \text{mm} \times 0.0015 \times (-8) \\ &= 25 \times (-0.012) \, \text{mm} \\ &= -0.30 \, \text{mm} \end{aligned} \]

Le signe négatif indique un retrait (diminution de l'épaisseur).

Résultat Question 4 : La variation d'épaisseur est \(\Delta h = -0.30 \, \text{mm}\).

Question 5 : Épaisseur Finale (\(h_f\))

Principe :

L'épaisseur finale est l'épaisseur initiale à laquelle on ajoute la variation d'épaisseur calculée.

Formule(s) utilisée(s) :
\[h_f = h_0 + \Delta h\]
Données spécifiques :
  • Épaisseur initiale (\(h_0\)) : \(25 \, \text{mm}\)
  • Variation d'épaisseur (\(\Delta h\)) : \(-0.30 \, \text{mm}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} h_f &= 25 \, \text{mm} + (-0.30 \, \text{mm}) \\ &= 25 - 0.30 \\ &= 24.70 \, \text{mm} \end{aligned} \]
Résultat Question 5 : L'épaisseur finale de la planche est \(h_f = 24.70 \, \text{mm}\).

Question 6 : Variation de Longueur (\(\Delta L\)) et Longueur Finale (\(L_f\))

Principe :

La variation de longueur est calculée de la même manière, en utilisant le coefficient de retrait longitudinal (\(\beta_L\)). Le retrait longitudinal du bois est généralement très faible par rapport aux retraits tangentiel et radial.

Formule(s) utilisée(s) :
\[\Delta L = L_0 \times \beta_L \times \Delta H\] \[L_f = L_0 + \Delta L\]
Données spécifiques :
  • Longueur initiale (\(L_0\)) : \(1000 \, \text{mm}\)
  • Coefficient de retrait longitudinal (\(\beta_L\)) : \(0.0001\) (par % de variation d'humidité)
  • Variation d'humidité (\(\Delta H\)) : \(-8\) (points de %)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \Delta L &= 1000 \, \text{mm} \times 0.0001 \times (-8) \\ &= 1000 \times (-0.0008) \, \text{mm} \\ &= -0.80 \, \text{mm} \end{aligned} \]
\[ \begin{aligned} L_f &= 1000 \, \text{mm} + (-0.80 \, \text{mm}) \\ &= 999.20 \, \text{mm} \end{aligned} \]

Commentaire : La variation de longueur (\(-0.80 \, \text{mm}\) pour 1 mètre) est beaucoup plus faible que les variations de largeur (\(-2.88 \, \text{mm}\) pour 120 mm) et d'épaisseur (\(-0.30 \, \text{mm}\) pour 25 mm) en termes relatifs. C'est pourquoi, dans de nombreux calculs structuraux, le retrait/gonflement longitudinal est souvent négligé, bien qu'il puisse être important pour des éléments très longs ou des assemblages précis.

Résultat Question 6 : La variation de longueur est \(\Delta L = -0.80 \, \text{mm}\) et la longueur finale est \(L_f = 999.20 \, \text{mm}\).

Quiz Rapide : Testez vos connaissances !

1. Qu'est-ce que l'hygroscopicité du bois ?

2. Le retrait du bois se produit lorsque :

3. Dans quelle direction le retrait/gonflement du bois est-il généralement le plus important ?

Glossaire

Humidité du Bois (H)
Quantité d'eau contenue dans le bois, exprimée en pourcentage de la masse du bois anhydre (sec à 0% d'humidité).
Hygroscopicité
Propriété d'un matériau (comme le bois) à absorber l'humidité de l'air ambiant ou à en rejeter pour atteindre un équilibre avec l'humidité relative de l'air.
Retrait
Diminution des dimensions du bois lorsque son taux d'humidité diminue en dessous du point de saturation des fibres.
Gonflement
Augmentation des dimensions du bois lorsque son taux d'humidité augmente en dessous du point de saturation des fibres.
Point de Saturation des Fibres (PSF)
Taux d'humidité du bois (généralement autour de 25-30%) au-delà duquel l'eau libre commence à remplir les cavités cellulaires. Les variations dimensionnelles se produisent principalement en dessous du PSF.
Coefficient de Retrait/Gonflement (\(\beta\))
Valeur indiquant la variation dimensionnelle (en pourcentage ou en valeur décimale) pour chaque point de pourcentage de variation d'humidité. Il diffère selon les directions du bois (longitudinal, radial, tangentiel).
Direction Tangentielle
Direction tangente aux cernes de croissance annuels de l'arbre. Le retrait/gonflement est généralement le plus important dans cette direction.
Direction Radiale
Direction perpendiculaire aux cernes de croissance, allant du cœur vers l'écorce.
Direction Longitudinale (ou Axiale)
Direction parallèle à l'axe de l'arbre (sens des fibres). Le retrait/gonflement est très faible dans cette direction.
Anisotropie
Propriété d'un matériau dont les caractéristiques (comme le retrait/gonflement) varient selon la direction considérée.
Effets de l’Humidité sur le Bois - Exercice d'Application

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