Bois
Matériaux de construction écologique et très efficace.
Sommaire
Généralité
Les bois sont caractérisé dans la famille des composites, ces propriétés mécanique sont généralement anisotrope (c'est à dire qu'elles varient en fonction de l'orientation du matériau), on notera que beaucoup de bois sont fibreux, et donc les propriétés en suivant le sens de la fibres sont meilleures.
On classes les bois par essences (chène, oukoumé, peuplier ....), chaque essence possède une anatomie différente (agencement des molécules) c'est cet agencement comme dans tout composite qui est responsables de propriétés mécaniques diverses..
Composition et impact carbone
La composition moléculaire des bois reste semblable, notamment sur la cellulose.
Il est constitué de 50% de carbone, 43% d'oxygène, 6% d'hydrogène, 1% d'azote. Tout sont carbone provient du CO2 dans l'air, c'est pourquoi son utilisation stock du carbone.
En prenant en compte le dégagement de CO2 par l'utilisation des outils lors de ça transformation, le bois à toujours un impact positif. (de l'ordre de 800 kg de CO2 par m³, contre 1000 kg/m³ si l'on ne fait que le planter)
Énergétiquement, l'énergie par mètre cube pour produire les bois est de 80 MJ/m^3 On notera que pour le bambou seulement c'est plutôt 30 MJ/m^3
Durabilité
Le bois entant que matériau biodégradable, est sujet à la question de sa durabilité.
Ça décomposition provient essentiellement du classe de bactérie et champignons que l'on retrouve principalement dans l'humus forestier.
Aussi la prise en compte de paramètres lors des constructions et le choix des conditions d'utilisation (lieu, usage ...) conditionne énormément la durée de vie du bois. Avec un peu de connaissance des bois on pourra augmenter leurs durée de vie sans traitement. Certain bâtiment sont vieux de 14 siècles et tiennent encore.
Vieillissement
Le bois vieillis, naturellement, ici on listera les causes et les conséquences liée à cela.
- Le rayonnement UV cause:
- Avec une présence d'oxygène et la réaction photochimique, un jaunissement voir brunissement de la surface.
- Et un blanchiment du bois, jusqu'à voir la couleur blanche de la cellulose.
- L'érosion (pluie, eau, réaction photochimique), le bois à tendance à fendre et on perd la couleur d'origine.
- Avec des températures de 25°C et une humidité d'environs 30%. La surface du bois à tendance à devenir gris-bleu, gris-noir.
Globalement on pourra ce fier aux classes d'emplois qui définissent le lieu d'usage du bois.
- Intérieur, non soumis à l’humidité
- Abrité, peu être soumis à l'humidité mais occasionnellement
- Le bois est au dessus du sol, et exposé aux pluies
- Le bois est en contact avec le sol, et exposé aux pluies
- Le bois est immergé dans de l'eau salée
Compatibilités avec les métaux
En effets les bois, sont des composées généralement acide (ph 3 à 6), ce qui à une influence sur les colles, résines polymères, et la corrosion des métaux (notamment pour les pH < 4.4)
- Les classes 1,2 et 3: sont compatibles avec tous les métaux.
- Les classes 3 et 4: sont incompatibles avec le Zinc et les aluminiums. Quelques précautions sont à prendre pour les aciers galvanisé et les inox.
Les chênes et les châtaignier sont particulièrement incompatibles avec tout sauf les aciers standard.
Propriétés mécaniques
Le bois ayant un comportement complexe.
Caractéristiques
Ce sont des valeurs physiques qui caractérise le matériaux elles sont calculées via des essais, elles servent à comparer facilement les différents matériaux.
On retrouvera plein d'info sur le site du CNDB
Caractéristiques qualitatives
Ici on définira les caractéristiques qui s'exprime avec des mots, la comparaison est donc très relative.
- Dureté: Plusieurs catégorie existe pour les bois de tendre à très dur, c'est la capacité pour le bois à résister à la pénétration (force) par un objet.
- Durabilité: Capacité de durer dans le temps du bois, cela dépend beaucoup des champignons, maladies ...
- Stabilité dimensionnelle: Capacité pour le bois de conserver ses dimensions/géométries en fonction des différences d'humidité, température, pression...
- Aptitude au séchage: Capacité pour le bois de sécher rapidement. Donc de faire baisser son taux d'humidité.
- Aptitude au façonnage: Capacité pour le bois à être travailler par l'homme (usinage ...)
- Adaptation à l'humidité ambiante: Capacité à absorbé l'humidité extérieur plus ou moins rapidement.
Caractéristiques physiques
Ici on définira les caractéristiques qui s'exprime par des valeurs chiffrées avec des unités.
- Densité: Définit la masse volumique, donc le poids par unité de volume, pour le bois on la mesure avec un taux d'humidité à 12% (bois plutôt sec). L'eau est à 1g/cm^3, les bois sont généralement entre 0.45 et 0.85 g/cm^3.
- Retrait: En lien avec la Stabilité dimensionnelle, il définit le rétrécissement du bois (en %) en fonction de son taux d'humidité.
- Module d'élasticité en flexion: On l'obtient par un essai de flexion Il caractérise la capacité pour un matériaux à ce tordre (en flexion) en fonction de l’effort qu'on lui applique. Dans l'idée c'est comme un ressort, plus de module d'élasticité est grand plus il agit comme un ressort épais, et inversement. Il caractérise le domaine élastique, si le matériau est souple ou rigide
- Contrainte de rupture: On l'obtient aussi par des essais de rupture, il définit la pression (ou contrainte en terme technique) nécessaire pour la rupture du matériau, ces caractéristiques sont propres au matériau, et au type de sollicitation (traction, flexion, torsion ...). On l'exprime en N/mm², ou encore en MPa (méga pascals), 1 N/mm² = 1 MPa = 10 bars.
- On le distingue de l'effort (force en N) nécessaire pour rompre un objet, celui ci dépend fondamentalement de ça géométrie, et c'est là tout l’enjeu de l’ingénieure mécanique de prévoir ces efforts via les surfaces sur lequel les contraintes s'appliquent.
- Résistance au choc: autrement appeler résilience, cela caractérise la capacité au matériau à absorber l'énergie d'un choc, on l'exprime pour les bois en Nm/cm², ce qui peu être compris comme une énergie absorbé par unité de surface.
- Duretés: Cela se comprend comme capacité au matériau à résister à une pénétration/toucher. C'est une pression que le matériau exerce sur l'objet pénétrant, on l'exprime en N/mm². On retrouve deux essais très différent pour le bois, qui sont les essais dans le sens de la fibre (parallèle), ou perpendiculaire aux fibres.
Comparatifs des bois utilisés au fablab
Ces valeurs, on pour but de comparer les différentes essences, elles ne sont pas valables pour le calcul de structures, (les bois ayant servi à l’essai étant sans défaut).
| Essence | Dureté | Densité moyenne à 12%(g/cm^3) | Module d'élasticité en flexion (MPa) | Contrainte de rupture à la traction suivant la longueur (MPa) | Contrainte de rupture à la compression (MPa) | Contrainte de rupture à la flexion (MPa) | Résistance au choc (MPa) | Adaptation à l'humidité | Classe d'emploi sans traitement | Façonnage |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Peuplier | Tendre | 0.44 | 8800 | 72 | 33 | 65 | 4.3 | Rapide | Facile | |
| Oukoumé | Tendre | 0.44 | 7800 | 61 | 36 | 87 | 2 | Rapide | Facile | |
| Pin Marine | Tendre | 0.54 | 8800 | 86 | 39 | 80 | 3.7 | Rapide | 1,2,3 | Facile |
| Bouleau | Mi-dur | 0.66 | 14800 | 135 | 51 | 132 | 8.7 | Moyenne | Facile | |
| Chêne | Mi-dur | 0.71 | 12500 | 100 | 58 | 97 | 6.2 | Lente | Facile | |
| Érable | Mi-dur | 0.64 | 10500 | 115 | 54 | 110 | 6.4 | Lente | Facile | |
| Bambou** | Autres | 0.65 | 14000 | 240 | 80 | 100 | 6.4 | Lente | Complexe | |
| OSB* | Autres | 0.55-0.65 | 3500-5000 | 9-12 | 15-18 | 18-30 | 1 | Lent | Facile | |
| MDF | Autres | 0.75 | 2500-3000 | 10-20 | 5-10 | 35-45 | 0.5 | Rapide | Facile | |
| HDF | Autres | 0.85 | 3000-3500 | 25-45 | 25-35 | 35-60 | 0.8 | Rapide | Facile |
.*OSB: Les info sont pour un sens longitudinal, de plus elles dépendes beaucoup de sa qualité (normes)
.**Bambou: Le bambou n'étant pas un bois, mais une herbe, néanmoins vu ses caractéristiques mécaniques il est comparables aux autres
Les formes
Massif
Les massifs sont la forme la plus proche de l'arbre, puisque c'est directement un morceau de ce dernier, on fera néanmoins attention, que tout les massifs ont des fibres, ainsi l'orientation qui en découle peu jouer un rôle dans la conception des objets.
Contreplaqué
L'idée étant d'assemblée des plaques fines (les plis) de massif, avec de la colle pour gagner en épaisseur, aussi on garde les propriétés mécaniques du bois sur la longueur et la large, mais sur l'épaisseur on est partagé entre celles du bois et celle de la colle.
Sources
Un document sur les caractéristiques du contreplaqué finlandais
Page Wiki d'un composant de la résine (ou colle)
Agglomérés
Ici on va prendre des très gros copeaux de bois (1 à 10cm de long) que l'on va presser ensemble et enduire de colle. Cette forme est peu coûteuse, résistante au feu (généralement M1 à partir de 12mm d'épaisseur).
Le problème c'est qu'elle s'effrite facilement, notamment du fait que les propriétés mécaniques sont plus proche de la colle que du bois. (en comparaison on est proche d'une forme composite fibre aléatoire avec matrice, que d'une forme en fibre longue comme le CP ou le massif)
Parmi la résine l'OSB contient généralement entre 0.008 et 0.030 % de formaldéhyde dans tout le panneau,
Sources
Les caractéristiques suivant les normes pour l'OSB
Medium/MDF
Comme pour l’aggloméré on va prendre des copeaux de bois, ici extrêmement petit (du dixième de mm au micron donc le la poussière de bois) que l'on va aussi presser et enduire de colle, ici on a une majorité de colle.
Sur le plan mécanique c'est une forme plutôt homogène et isotrope, donc les propriétés mécaniques sont les mêmes partout et dans toute les directions, ce sont principalement les propriétés de la colle.
Il a un inconvénient majeur, c'est ça composition de poussière de bois, qui sont cancérogène !! Aussi l'utilisation d'outil de coupe type fraiseuse, scie... est interdit. L'utilisation à la découpe laser avec l'aspiration des poussières à l’extérieur semble correcte.
Hygiène et sécurité
Pendant les usinages les opérateurs doivent être protégés des inhalation de poussières de bois.
Point de vue toxicologie site canadien.
Résistance au feu
Tout les bois sont des combustibles, cependant la combustion est différente, pour caractériser cela on utilise des indices de M1 à M5 qui définisse le temps que le matériau met pour se consumer, les indices varie en fonction, du type de bois, de ça forme, de l'épaisseur dans le cas d'une plaque et du volume dans le cas d'un objet plus complexe.
M1 étant les matériaux qui se consume le plus lentement, il sont dit ininflammable, et M5 le plus rapidement, dit facilement inflammable.
Sources
Un tableur des différentes propriétés mécaniques du bois en fonctions des essences.
Voici une thèse sur la mécanique du bois pour ceux qui veulent.
Pour le bambou (même si le bambou est une herbe et pas un arbre): Site scientifique Site d'un distributeur qui parle que ses pratiques Site d'un passionné Des techniques d'assemblages
Divers
50 raccords en bois à la CNC : https://www.flickr.com/photos/satiredun/15868308421/sizes/o/