« PVC-CHA » (Zohoun et al 2003). Les conditions expérimentales sont les mêmes que celles utilisées par Ouertani et al (2023b).

Dans un premier temps, le code numérique *TransPore* (Perré et Turner 1999), code simulant les transferts couplés masse-chaleur à l'échelle locale de la planche, a été utilisé pour déterminer le coefficient de diffusion massique et la perméabilité liquide de chaque planche instrumentée par une analyse inverse à partir de leur cinétique de séchage. L'algorithme du Simplex a été utilisé pour minimiser la fonction objective définissant l'écart entre les cinétiques à cœur calculées et mesurées. Des informations complémentaires sont données dans Ouertani et al (2023a). A noter pour cette analyse inverse, *TransPore* utilise comme conditions aux limites les caractéristiques de l'air à l'entrée de la pile et non au sein de la pile, autour de la planche instrumentée. Comme conditions initiales, *TransPore* utilise les valeurs mesurées sur les planches instrumentées, i.e. l'humidité moyenne, l'humidité à cœur et l'épaisseur de la planche. Les mesures sur site ont révélé des planches ayant une hétérogénéité forte d'humidité initiale, avec une humidité au cœur de la planche autour de 60% et une humidité moyenne de 35%. Le code a été adapté dans ce travail afin de pouvoir partir d'un profil d'humidité à l'état initial hétérogène dans l'épaisseur. Une fonction polynomiale a été utilisée pour que l'humidité maximale, à cœur, soit celle mesurée par la méthode résistive, que la moyenne du profil soit celle mesurée par pesées et que l'humidité en surface soit l'humidité d'équilibre de l'air extérieur, soit ici 15%. Les caractéristiques moyennes du bois de hêtre ont été utilisées pour les autres paramètres nécessaires au modèle. Elles sont résumées dans Thouraya et al. (2017).

Dans la partie suivante, une comparaison est faite entre les valeurs des paramètres physiques identifiées par analyse inverse et celles mesurées expérimentalement en laboratoire.

<figure><img src="image_255.png" /><figcaption>Fig.2 : Conditions de séchage appliquées dans le séchoir(a) et mesures des humidités à cœur effectuées sur les planches instrumentées(b)</figcaption></figure>

La Fig. 3 présente deux exemples des courbes des cinétiques de séchage expérimentales et prédites par *TransPore* à l'issue de l'analyse inverse. Il faut noter que les sondes résistives ont donné un signal incohérent sur les dix premières heures (humidité à cœur inférieure à 20% au début du cycle), lors de la montée en température de la charge de bois. Ces points n'ont pas été pris en compte pour l'analyse inverse. Il reste néanmoins une incertitude sur l'humidité à cœur à l'état initial. Nous avons alors choisi d'étudier l'influence de la teneur en eau initiale à cœur sur les identifications renvoyées par le code en prenant comme teneur en eau initiale à cœur soit la valeur maximale mesurée par la sonde résistive sur les 15 premières heures de séchage, soit cette valeur à laquelle on ajoute +5%.
« PVC-CHA » (Zohoun et al 2003). Les conditions expérimentales sont les mêmes que celles utilisées par Ouertani et al (2023b).

Dans un premier temps, le code numérique *TransPore* (Perré et Turner 1999), code simulant les transferts couplés masse-chaleur à l'échelle locale de la planche, a été utilisé pour déterminer le coefficient de diffusion massique et la perméabilité liquide de chaque planche instrumentée par une analyse inverse à partir de leur cinétique de séchage. L'algorithme du Simplex a été utilisé pour minimiser la fonction objective définissant l'écart entre les cinétiques à cœur calculées et mesurées. Des informations complémentaires sont données dans Ouertani et al (2023a). A noter pour cette analyse inverse, *TransPore* utilise comme conditions aux limites les caractéristiques de l'air à l'entrée de la pile et non au sein de la pile, autour de la planche instrumentée. Comme conditions initiales, *TransPore* utilise les valeurs mesurées sur les planches instrumentées, i.e. l'humidité moyenne, l'humidité à cœur et l'épaisseur de la planche. Les mesures sur site ont révélé des planches ayant une hétérogénéité forte d'humidité initiale, avec une humidité au cœur de la planche autour de 60% et une humidité moyenne de 35%. Le code a été adapté dans ce travail afin de pouvoir partir d'un profil d'humidité à l'état initial hétérogène dans l'épaisseur. Une fonction polynomiale a été utilisée pour que l'humidité maximale, à cœur, soit celle mesurée par la méthode résistive, que la moyenne du profil soit celle mesurée par pesées et que l'humidité en surface soit l'humidité d'équilibre de l'air extérieur, soit ici 15%. Les caractéristiques moyennes du bois de hêtre ont été utilisées pour les autres paramètres nécessaires au modèle. Elles sont résumées dans Thouraya et al. (2017).

Dans la partie suivante, une comparaison est faite entre les valeurs des paramètres physiques identifiées par analyse inverse et celles mesurées expérimentalement en laboratoire.

<figure><img src="image_253.png" /><figcaption>Fig.2 : Conditions de séchage appliquées dans le séchoir(a) et mesures des humidités à cœur effectuées sur les planches instrumentées(b)</figcaption></figure>

La Fig. 3 présente deux exemples des courbes des cinétiques de séchage expérimentales et prédites par *TransPore* à l'issue de l'analyse inverse. Il faut noter que les sondes résistives ont donné un signal incohérent sur les dix premières heures (humidité à cœur inférieure à 20% au début du cycle), lors de la montée en température de la charge de bois. Ces points n'ont pas été pris en compte pour l'analyse inverse. Il reste néanmoins une incertitude sur l'humidité à cœur à l'état initial. Nous avons alors choisi d'étudier l'influence de la teneur en eau initiale à cœur sur les identifications renvoyées par le code en prenant comme teneur en eau initiale à cœur soit la valeur maximale mesurée par la sonde résistive sur les 15 premières heures de séchage, soit cette valeur à laquelle on ajoute +5%.
Résultats et discussion

<figure><img src="image_256.png" /><figcaption>Fig. 3 : Exemples des confrontations des cinétiques de séchage expérimentales (Measure) et numériques (Prediction), planches HB10 (+5%) et HB13 (+5%).</figcaption></figure>

La Fig. 4 présente les perméabilités (Fig. 4a) et les coefficients de diffusion de l'eau liée (Fig. 4b) des échantillons de bois provenant des 8 planches suivies. Les valeurs expérimentales et celles estimées par méthode inverse sont comparées. Les résultats expérimentaux sont du même ordre que ceux de la littérature (Ouertani et al 2023b ; Agoua et al 2001). Nous constatons que le code sous-estime les coefficients de diffusion de l'eau liée avec un rapport moyen de 2,55, les rapports allant de 2,02 (HB18) à 3,34 (HB13). Ce constat est nuancé dans le cas de la perméabilité liquide. Le code sous-estime les perméabilités liquides de six échantillons avec des rapports allant de 2,51 (HB17) à 11,60 (HB13). Dans deux cas, les valeurs renvoyées par le code sont supérieures à celles obtenues expérimentalement avec des rapports de 15,60 (HB11) et 19,1 (HB10). La figure 4 montre les valeurs obtenues par analyse inverse en prenant comme point haut du profil parabolique d'humidité initial la valeur maximale à cœur ou celle majorée de +5% (voir commentaire précédent). Cela nous permet de constater que la teneur en eau initiale des planches (mal estimée par les sondes résistives) influence la valeur renvoyée par le code sur la perméabilité liquide, et moins sur le coefficient de diffusion.

<figure><img src="image_257.png" /><figcaption>Fig. 4 : Comparaison des mesures expérimentales et par méthode inverse: (a) perméabilités liquides ; (b) coefficients de diffusion de masse de l'eau liée (b).</figcaption></figure>

Nous voyons ici que la transposition d'une méthode validée et éprouvée en laboratoire (Ouertani et al. 2023a, Perré et al. 2015) au contexte industriel s'avère pour le moment compliquée. L'analyse inverse présentée ici peine à trouver les valeurs des paramètres de transfert des planches en raison de l'incertitude de la forme du profil initial d'humidité dans la
Résultats et discussion

<figure><img src="image_254.png" /><figcaption>Fig. 3 : Exemples des confrontations des cinétiques de séchage expérimentales (Measure) et numériques (Prediction), planches HB10 (+5%) et HB13 (+5%).</figcaption></figure>

La Fig. 4 présente les perméabilités (Fig. 4a) et les coefficients de diffusion de l'eau liée (Fig. 4b) des échantillons de bois provenant des 8 planches suivies. Les valeurs expérimentales et celles estimées par méthode inverse sont comparées. Les résultats expérimentaux sont du même ordre que ceux de la littérature (Ouertani et al 2023b ; Agoua et al 2001). Nous constatons que le code sous-estime les coefficients de diffusion de l'eau liée avec un rapport moyen de 2,55, les rapports allant de 2,02 (HB18) à 3,34 (HB13). Ce constat est nuancé dans le cas de la perméabilité liquide. Le code sous-estime les perméabilités liquides de six échantillons avec des rapports allant de 2,51 (HB17) à 11,60 (HB13). Dans deux cas, les valeurs renvoyées par le code sont supérieures à celles obtenues expérimentalement avec des rapports de 15,60 (HB11) et 19,1 (HB10). La figure 4 montre les valeurs obtenues par analyse inverse en prenant comme point haut du profil parabolique d'humidité initial la valeur maximale à cœur ou celle majorée de +5% (voir commentaire précédent). Cela nous permet de constater que la teneur en eau initiale des planches (mal estimée par les sondes résistives) influence la valeur renvoyée par le code sur la perméabilité liquide, et moins sur le coefficient de diffusion.

<figure><img src="image_255.png" /><figcaption>Fig. 4 : Comparaison des mesures expérimentales et par méthode inverse: (a) perméabilités liquides ; (b) coefficients de diffusion de masse de l'eau liée (b).</figcaption></figure>

Nous voyons ici que la transposition d'une méthode validée et éprouvée en laboratoire (Ouertani et al. 2023a, Perré et al. 2015) au contexte industriel s'avère pour le moment compliquée. L'analyse inverse présentée ici peine à trouver les valeurs des paramètres de transfert des planches en raison de l'incertitude de la forme du profil initial d'humidité dans la
planche et l'incertitude de la mesure des sondes résistives dans le domaine de l'eau libre et lors des variations de température.

La dernière partie de cette communication vise à regarder la capacité de l'analyse inverse à identifier le jeu de paramètre assez tôt pendant le séchage, i.e. sur une fenêtre temporelle réduite de la cinétique de séchage, dans la perspective d'utiliser le code sur la partie temporelle restante pour trouver les conditions de séchage optimales. Les Tab. 1 et 2 présentent des estimations respectivement du coefficient de diffusion de l'eau liée et de perméabilité liquide données par *TransPore* et les erreurs associées par rapport à la valeur identifiée en considérant toute la cinétique, la teneur en eau initiale étant celle maximale de la cinétique + 5%. La portion de la cinétique considérée dans l'analyse inverse est de 20%, 40%, 63%, 80% et 100% de la durée de séchage. L'exemple est donné pour la planche HB10. On observe que l'estimation du coefficient de diffusion obtenue en utilisant 40% (190h) de la durée de séchage donne déjà une valeur à 17,9% près de la valeur obtenue en utilisant toute la durée. Dans le cas de la perméabilité liquide, en utilisant 20% (95h) de la durée de séchage, le code donne une valeur à 33,3% près de la valeur identifiée avec la totalité de la durée du processus.

<table><caption>Tab. 1 : Estimation du coefficient de diffusion massique de l'eau liée par analyse inverse en utilisant une partie variable de la cinétique de séchage (HB10) et les erreurs relatives associées.</caption><tr><td>Durée (h)</td><td>95</td><td>190</td><td>300</td><td>382</td><td>478</td></tr><tr><td>D(m²/s)</td><td>3,0x10<sup>-11</sup></td><td>7,4x10<sup>-11</sup></td><td>6,6x10<sup>-11</sup></td><td>7,1x10<sup>-11</sup></td><td>8,0x10<sup>-11</sup></td></tr><tr><td>%Num</td><td>62,5</td><td>7,5</td><td>17,5</td><td>11,25</td><td>0,00</td></tr></table>

<table><caption>Tab. 2 : Estimation de la perméabilité liquide par analyse inverse en utilisant une partie variable de la cinétique de séchage (HB10) et les erreurs relatives associées.</caption><tr><td>s</td><td>95</td><td>190</td><td>300</td><td>382</td><td>478</td></tr><tr><td>K<sub>L</sub>(m²)</td><td>5,2x10<sup>-16</sup></td><td>4,6x10<sup>-16</sup></td><td>5,1x10<sup>-16</sup></td><td>4,6x10<sup>-16</sup></td><td>3,9x10<sup>-16</sup></td></tr><tr><td>%Num</td><td>33,3</td><td>17,9</td><td>30,8</td><td>17,9</td><td>0,00</td></tr></table>

## Conclusion et perspectives

Dans ce travail, le code *TransPore* a été utilisé pour tenter d'identifier des paramètres de transfert massique par analyse inverse sur des cinétiques de séchage obtenues sur le séchoir semi-industriel de FCBA. L'analyse inverse des coefficients de diffusion de l'eau liée et la perméabilité liquide présentent des différences non négligeables avec les valeurs réelles mesurées en laboratoire sur les mêmes planches suivies lors du séchage. On observe des rapports allant de 2 à 19 pour la perméabilité liquide, et de 2 à 3,3 pour le coefficient de diffusion de l'eau liée. Cette première mise en situation de l'approche développée en laboratoire à l'échelle semi-industrielle montre la difficulté de réunir toutes les conditions nécessaires à cette analyse inverse. Une autre campagne de mesure sera prochainement effectuée à FCBA avec des planches très humides. Le calibrage des sondes résistives sera vérifié et une mesure de l'humidité initiale par double pesée sera ajoutée sur les planches instrumentées. Aussi, il semble nécessaire d'ajouter un autre type de mesure tel que le suivi des contraintes de séchage, le suivi de la cinétique par pesée, pour conforter l'analyse inverse de ces paramètres.

## Remerciements

L'ADEME finance le projet de recherche Ossolaire (AAP APRED21) et cofinance une bourse de thèse avec FCBA. Ils sont ici remerciés pour leur soutien.
planche et l'incertitude de la mesure des sondes résistives dans le domaine de l'eau libre et lors des variations de température.

La dernière partie de cette communication vise à regarder la capacité de l'analyse inverse à identifier le jeu de paramètre assez tôt pendant le séchage, i.e. sur une fenêtre temporelle réduite de la cinétique de séchage, dans la perspective d'utiliser le code sur la partie temporelle restante pour trouver les conditions de séchage optimales. Les Tab. 1 et 2 présentent des estimations respectivement du coefficient de diffusion de l'eau liée et de perméabilité liquide données par *TransPore* et les erreurs associées par rapport à la valeur identifiée en considérant toute la cinétique, la teneur en eau initiale étant celle maximale de la cinétique + 5%. La portion de la cinétique considérée dans l'analyse inverse est de 20%, 40%, 63%, 80% et 100% de la durée de séchage. L'exemple est donné pour la planche HB10. On observe que l'estimation du coefficient de diffusion obtenue en utilisant 40% (190h) de la durée de séchage donne déjà une valeur à 17,9% près de la valeur obtenue en utilisant toute la durée. Dans le cas de la perméabilité liquide, en utilisant 20% (95h) de la durée de séchage, le code donne une valeur à 33,3% près de la valeur identifiée avec la totalité de la durée du processus.

<table><caption>Tab. 1 : Estimation du coefficient de diffusion massique de l'eau liée par analyse inverse en utilisant une partie variable de la cinétique de séchage (HB10) et les erreurs relatives associées.</caption><tr><td>Durée (h)</td><td>95</td><td>190</td><td>300</td><td>382</td><td>478</td></tr><tr><td>D(m²/s)</td><td>3,0x10<sup>-11</sup></td><td>7,4x10<sup>-11</sup></td><td>6,6x10<sup>-11</sup></td><td>7,1x10<sup>-11</sup></td><td>8,0x10<sup>-11</sup></td></tr><tr><td>%Num</td><td>62,5</td><td>7,5</td><td>17,5</td><td>11,25</td><td>0,00</td></tr></table>

<table><caption>Tab. 2 : Estimation de la perméabilité liquide par analyse inverse en utilisant une partie variable de la cinétique de séchage (HB10) et les erreurs relatives associées.</caption><tr><td>s</td><td>95</td><td>190</td><td>300</td><td>382</td><td>478</td></tr><tr><td>K<sub>L</sub>(m²)</td><td>5,2x10<sup>-16</sup></td><td>4,6x10<sup>-16</sup></td><td>5,1x10<sup>-16</sup></td><td>4,6x10<sup>-16</sup></td><td>3,9x10<sup>-16</sup></td></tr><tr><td>%Num</td><td>33,3</td><td>17,9</td><td>30,8</td><td>17,9</td><td>0,00</td></tr></table>

## Conclusion et perspectives

Dans ce travail, le code *TransPore* a été utilisé pour tenter d'identifier des paramètres de transfert massique par analyse inverse sur des cinétiques de séchage obtenues sur le séchoir semi-industriel de FCBA. L'analyse inverse des coefficients de diffusion de l'eau liée et la perméabilité liquide présentent des différences non négligeables avec les valeurs réelles mesurées en laboratoire sur les mêmes planches suivies lors du séchage. On observe des rapports allant de 2 à 19 pour la perméabilité liquide, et de 2 à 3,3 pour le coefficient de diffusion de l'eau liée. Cette première mise en situation de l'approche développée en laboratoire à l'échelle semi-industrielle montre la difficulté de réunir toutes les conditions nécessaires à cette analyse inverse. Une autre campagne de mesure sera prochainement effectuée à FCBA avec des planches très humides. Le calibrage des sondes résistives sera vérifié et une mesure de l'humidité initiale par double pesée sera ajoutée sur les planches instrumentées. Aussi, il semble nécessaire d'ajouter un autre type de mesure tel que le suivi des contraintes de séchage, le suivi de la cinétique par pesée, pour conforter l'analyse inverse de ces paramètres.

## Remerciements

L'ADEME finance le projet de recherche Ossolaire (AAP APRED21) et cofinance une bourse de thèse avec FCBA. Ils sont ici remerciés pour leur soutien.
Références

Agoua E, Zohoun S, Perré P (2001) A double climatic chamber used to measure the diffusion coefficient of water in wood in unsteady-state conditions: determination of the best fitting method by numerical simulation, International Journal of Heat and Mass Transfer 44 (19): 3231-3744.

Aléon D (2012) Séchage des bois d'oeuvre : De la théorie à la pratique / Daniel Aléon (Première édition 2012), FCBA.

Joly P, More-Chevalier F (1980) Théorie, pratique et économie du séchage des bois

L'Hostis C, Chabagno-Lapie M, Fuente P, Silberberg O (2020) Guide des solutions de séchage du bois bûche, Rapport de l'étude SOLUSEC, 40 p.

Ouertani S, Stéphan A, Perré P, L'Hostis C, Rémond R (2023a) Evaluating moisture transfer properties of wood by inverse analysis of moisture content profiles determined during drying by X-ray attenuation, Drying technology. (article en révision).

Ouertani S, Simo-Tagne M, Rémond R (2023b) Sorption isotherms and moisture transfer properties of seven central Africa hardwood species. Wood Material Science and Engineering 18 (2): 507-516.

Perré P, Agoua E (2002) Mass transfer in MDF (medium density fiberboard): Identification of structural parameters from permeability and diffusivity measurements. 13th International drying symposium, Drying, 178-187.

Perré P, Pierre F, Casalinho J, Ayouz M (2015). Determination of the mass diffusion coefficient based on the relative humidity measured at the back face of the sample during unsteady regimes. Drying technology 33(9): 1068-1075.

Perré P, Turner I (1999) TransPore: a generic heat and mass transfer computational model for understanding and visualizing the drying of porous media. International Journal for Heat and Mass Transfer (42): 4501–4521.

Thouraya S, Perre P, Bouali A, Mougel E, Remond R (2017) Experimental and numerical investigation of intermittent drying of timber. Drying Technology, 35 (5): 593 - 605.

Zohoun S, Agoua E, Degan G, Perré P (2003) An experimental correction proposed for an accurate determination of mass diffusivity of wood in steady regime. Heat and Mass Transfer (39) : 147-155.
Références

Agoua E, Zohoun S, Perré P (2001) A double climatic chamber used to measure the diffusion coefficient of water in wood in unsteady-state conditions: determination of the best fitting method by numerical simulation, International Journal of Heat and Mass Transfer 44 (19): 3231-3744.

Aléon D (2012) Séchage des bois d'oeuvre : De la théorie à la pratique / Daniel Aléon (Première édition 2012), FCBA.

Joly P, More-Chevalier F (1980) Théorie, pratique et économie du séchage des bois

L'Hostis C, Chabagno-Lapie M, Fuente P, Silberberg O (2020) Guide des solutions de séchage du bois bûche, Rapport de l'étude SOLUSEC, 40 p.

Ouertani S, Stéphan A, Perré P, L'Hostis C, Rémond R (2023a) Evaluating moisture transfer properties of wood by inverse analysis of moisture content profiles determined during drying by X-ray attenuation, Drying technology. (article en révision).

Ouertani S, Simo-Tagne M, Rémond R (2023b) Sorption isotherms and moisture transfer properties of seven central Africa hardwood species. Wood Material Science and Engineering 18 (2): 507-516.

Perré P, Agoua E (2002) Mass transfer in MDF (medium density fiberboard): Identification of structural parameters from permeability and diffusivity measurements. 13th International drying symposium, Drying, 178-187.

Perré P, Pierre F, Casalinho J, Ayouz M (2015). Determination of the mass diffusion coefficient based on the relative humidity measured at the back face of the sample during unsteady regimes. Drying technology 33(9): 1068-1075.

Perré P, Turner I (1999) TransPore: a generic heat and mass transfer computational model for understanding and visualizing the drying of porous media. International Journal for Heat and Mass Transfer (42): 4501–4521.

Thouraya S, Perre P, Bouali A, Mougel E, Remond R (2017) Experimental and numerical investigation of intermittent drying of timber. Drying Technology, 35 (5): 593 - 605.

Zohoun S, Agoua E, Degan G, Perré P (2003) An experimental correction proposed for an accurate determination of mass diffusivity of wood in steady regime. Heat and Mass Transfer (39) : 147-155.
# Etude expérimentale des interactions bois-microorganismes : cas spécifique des immeubles de santé

ESSONO MINTSA Morel<fnref n="1" />, PAILHORIES Hélène<fnref n="2" />,<fnref n="3" />, AVIAT Florence<fnref n="4" />, LANATA Francesca<fnref n="1" />, MICHAUD Franck<fnref n="1" />, BELLONCLE Christophe<fnref n="1" />

**Mots clefs** : aérosol, bois-microorganismes ; bâtiment de santé ; hygiène ; prélèvements *in situ*

## Contexte et objectifs

La construction d'établissements de santé a un impact significatif sur l'environnement, notamment en termes d'utilisation de matériaux et de consommation d'énergie. Par conséquent, la construction durable de tels bâtiments impose l'utilisation de matériaux respectueux de l'environnement pouvant être recyclés et ayant une faible énergie intrinsèque et un faible impact sur l'environnement (Kumari et Kumar 2020, Kotradyová et al. 2014). Le bois constitue assurément une alternative vertueuse à la construction traditionnelle, mais le secteur de la santé offre encore quelques résistances à une utilisation courante.

L'adoption à grande échelle du bois en intérieur dans les bâtiments de santé suscite des réticences à ce jour, car ce matériau est perçu comme peu hygiénique en raison de sa porosité et sa structure organique. La règlementation l'interdit indirectement parce que poreux. Certaines recherches ont pourtant montré que les matériaux bois non traités ont des propriétés antimicrobiennes contre un large éventail d'agents pathogènes responsables des infections associées aux soins de santé (IAS) (Chen et al 2020, Munir et al 2019a, Munir et al 2019b). Toutefois, aucun élément scientifique ne permet aujourd'hui de démontrer que le bois brut présente un avantage sur la survie ou la non-diffusion des microorganismes par contact ou par aérosol. Cependant, son utilisation comme matériau brut est possible moyennant une conception spécifique. Au regard de ce qui précède, des échanges entre l'ESB et le CHU d'Angers ont eu lieu afin d'identifier les leviers permettant d'avancer sur l'utilisation du bois dans les immeubles de santé et d'autres types de bâtiments (rétablissement scolaires).

L'objectif de ce travail est, non seulement d'étudier le développement/le transfert bactérien via le matériau bois dans le contexte spécifique des établissements de santé, mais aussi de mieux comprendre les interactions bois-microorganismes dans la diffusion ou non des microorganismes. Un programme de recherche visant à étudier l'impact du bois sur le développement bactérien *in situ* et la qualité de l'air (aérosol microbien, particules, composés organiques volatils COV) a été donc défini. Un protocole de mesures a été mis au point en installant des coupons (assemblage de matériaux) dans plusieurs bâtiments de référence. Les données sont collectées régulièrement et l'ensemble des résultats permettra d'avoir une meilleure visibilité quant à l'acceptabilité du bois brut d'un point de vue hygiène dans les établissements de soins.

## Matériel et méthode

*Etudes in situ*

<footnote n="1">¹ESB, LIMBHA, Nantes, France</footnote>

<footnote n="2">²Laboratoire de Bactériologie-Hygiène, Centre Hospitalier Universitaire, Angers, France</footnote>

<footnote n="3">³Laboratoire HIFIH, UPRES EA3859, SFR 4208, Université d'Angers, France</footnote>

<footnote n="4">⁴Your Research-Bio-Scientific, 307 la Gauterie, Le Landreau, France
morel.essonomintsa@esb-campus.fr</footnote>
# Etude expérimentale des interactions bois-microorganismes : cas spécifique des immeubles de santé

ESSONO MINTSA Morel<fnref n="1" />, PAILHORIES Hélène<fnref n="2" />,<fnref n="3" />, AVIAT Florence<fnref n="4" />, LANATA Francesca<fnref n="1" />, MICHAUD Franck<fnref n="1" />, BELLONCLE Christophe<fnref n="1" />

**Mots clefs** : aérosol, bois-microorganismes ; bâtiment de santé ; hygiène ; prélèvements *in situ*

## Contexte et objectifs

La construction d'établissements de santé a un impact significatif sur l'environnement, notamment en termes d'utilisation de matériaux et de consommation d'énergie. Par conséquent, la construction durable de tels bâtiments impose l'utilisation de matériaux respectueux de l'environnement pouvant être recyclés et ayant une faible énergie intrinsèque et un faible impact sur l'environnement (Kumari et Kumar 2020, Kotradyová et al. 2014). Le bois constitue assurément une alternative vertueuse à la construction traditionnelle, mais le secteur de la santé offre encore quelques résistances à une utilisation courante.

L'adoption à grande échelle du bois en intérieur dans les bâtiments de santé suscite des réticences à ce jour, car ce matériau est perçu comme peu hygiénique en raison de sa porosité et sa structure organique. La règlementation l'interdit indirectement parce que poreux. Certaines recherches ont pourtant montré que les matériaux bois non traités ont des propriétés antimicrobiennes contre un large éventail d'agents pathogènes responsables des infections associées aux soins de santé (IAS) (Chen et al 2020, Munir et al 2019a, Munir et al 2019b). Toutefois, aucun élément scientifique ne permet aujourd'hui de démontrer que le bois brut présente un avantage sur la survie ou la non-diffusion des microorganismes par contact ou par aérosol. Cependant, son utilisation comme matériau brut est possible moyennant une conception spécifique. Au regard de ce qui précède, des échanges entre l'ESB et le CHU d'Angers ont eu lieu afin d'identifier les leviers permettant d'avancer sur l'utilisation du bois dans les immeubles de santé et d'autres types de bâtiments (VOICE scolaires).

L'objectif de ce travail est, non seulement d'étudier le développement/le transfert bactérien via le matériau bois dans le contexte spécifique des établissements de santé, mais aussi de mieux comprendre les interactions bois-microorganismes dans la diffusion ou non des microorganismes. Un programme de recherche visant à étudier l'impact du bois sur le développement bactérien *in situ* et la qualité de l'air (aérosol microbien, particules, composés organiques volatils COV) a été donc défini. Un protocole de mesures a été mis au point en installant des coupons (assemblage de matériaux) dans plusieurs bâtiments de référence. Les données sont collectées régulièrement et l'ensemble des résultats permettra d'avoir une meilleure visibilité quant à l'acceptabilité du bois brut d'un point de vue hygiène dans les établissements de soins.

## Matériel et méthode

*Etudes in situ*

<footnote n="1">¹ESB, LIMBHA, Nantes, France</footnote>

<footnote n="2">²Laboratoire de Bactériologie-Hygiène, Centre Hospitalier Universitaire, Angers, France</footnote>

<footnote n="3">³Laboratoire HIFIH, UPRES EA3859, SFR 4208, Université d'Angers, France</footnote>

<footnote n="4">⁴Your Research-Bio-Scientific, 307 la Gauterie, Le Landreau, France</footnote>

<footnote>morel.essonomintsa@esb-campus.fr</footnote>
Plusieurs bâtiments, dont certains construits en structure bois, sont utilisés comme modèle d'étude, dans le respect des règlements et de leur utilisation normale. Pour les prélèvements microbiens in situ, des coupons de 10 cm² constitués de 4 matériaux (bois verni, bois non verni, PVC et acier inox) ont été conçus à l'ESB, afin d'être mis en œuvre en plusieurs points dans différents lieux de vie (restaurant, accueil, couloir, bureau, sanitaires, salle repos...) des bâtiments d'étude (Fig. 1).

<figure><img src="image_258.png" /><figcaption>Fig. 1 : Positionnement des coupons installés dans un établissement de santé et détail du coupon (photos prises par Morel ESSONO)</figcaption></figure>

Dans chaque établissement, un maximum de 8 coupons est prévu à des endroits différents, nommés zones 1 et 2. La zone 1 représente un endroit de l'établissement avec entretien/nettoyage tel que défini par l'établissement (contexte classique de nettoyage) et la zone 2 représente un endroit sans nettoyage et/ou inaccessible. La présence des coupons dans chaque établissement est de 1 mois minimum pour la zone 1. Les échantillons de la zone 2 sont installés pendant un temps plus long afin d'avoir des informations sur les interactions bois-environnement et notamment le développement possible de biofilm. Parallèlement, une vérification de l'état des surfaces de chaque matériau a été effectuée à partir d'un prélèvement par boites contact à $J_0, J_{15}$ et $J_{30}$. Après chaque prélèvement, les souches microbiennes sont soigneusement conservées, puis identifiées au CHU d'Angers à l'aide d'un appareil de type VITEK MS de bioMérieux. Toutefois, l'accès et le prélèvement doivent être au préalable définis avec l'établissement.

## Etudes avec un aérosol bactérien

Une approche proposant un aérosol sec comme mode de contamination a été développée pour mieux comprendre les interactions entre les microorganismes et le matériau bois. Ainsi, un système expérimental nommé « chambre statique » a été conçu, permettant de distribuer un flux d'air microbien depuis une culture liquide, vers l'intérieur du système expérimental (Fig. 2).

<figure><img src="image_259.png" /><figcaption>Fig. 2 : Schéma du dispositif expérimental (crée par Morel Essono avec Biorender.com)</figcaption></figure>

Les microorganismes sont par la suite suspendus sur les géloses (A, B, C et D) et pourront être dénombrés en présence et absence de différents matériaux parmi lesquels le PVC, le bois verni,
Plusieurs bâtiments, dont certains construits en structure bois, sont utilisés comme modèle d'étude, dans le respect des règlements et de leur utilisation normale. Pour les prélèvements microbiens in situ, des coupons de 10 cm² constitués de 4 matériaux (bois verni, bois non verni, PVC et acier inox) ont été conçus à l'ESB, afin d'être mis en œuvre en plusieurs points dans différents lieux de vie (restaurant, accueil, couloir, bureau, sanitaires, salle repos...) des bâtiments d'étude (Fig. 1).

<figure><img src="image_256.png" /><figcaption>Fig. 1 : Positionnement des coupons installés dans un établissement de santé et détail du coupon (photos prises par Morel ESSONO)</figcaption></figure>

Dans chaque établissement, un maximum de 8 coupons est prévu à des endroits différents, nommés zones 1 et 2. La zone 1 représente un endroit de l'établissement avec entretien/nettoyage tel que défini par l'établissement (contexte classique de nettoyage) et la zone 2 représente un endroit sans nettoyage et/ou inaccessible. La présence des coupons dans chaque établissement est de 1 mois minimum pour la zone 1. Les échantillons de la zone 2 sont installés pendant un temps plus long afin d'avoir des informations sur les interactions bois-environnement et notamment le développement possible de biofilm. Parallèlement, une vérification de l'état des surfaces de chaque matériau a été effectuée à partir d'un prélèvement par boites contact à $J_0, J_{15}$ et $J_{30}$. Après chaque prélèvement, les souches microbiennes sont soigneusement conservées, puis identifiées au CHU d'Angers à l'aide d'un appareil de type VITEK MS de bioMérieux. Toutefois, l'accès et le prélèvement doivent être au préalable définis avec l'établissement.

## Etudes avec un aérosol bactérien

Une approche proposant un aérosol sec comme mode de contamination a été développée pour mieux comprendre les interactions entre les microorganismes et le matériau bois. Ainsi, un système expérimental nommé « chambre statique » a été conçu, permettant de distribuer un flux d'air microbien depuis une culture liquide, vers l'intérieur du système expérimental (Fig. 2).

<figure><img src="image_257.png" /><figcaption>Fig. 2 : Schéma du dispositif expérimental (crée par Morel Essono avec Biorender.com)</figcaption></figure>

Les microorganismes sont par la suite suspendus sur les géloses (A, B, C et D) et pourront être dénombrés en présence et absence de différents matériaux parmi lesquels le PVC, le bois verni,
le bois non verni et l'Acier Inox. Le but ici est d'observer l'influence des matériaux sur la diffusion du nuage bactérien.

## Premiers résultats

### Prélèvements in situ

La tendance des premiers résultats montre que le bois non verni possède une meilleure activité sur la régulation de la croissance microbienne à J₃₀, contrairement à d'autres matériaux (Fig. 3). L'idéal sera d'étendre le suivi afin d'observer la conservation ou non de cette capacité de régulation de la diffusion de microorganismes dans un contexte classique de nettoyage. Parallèlement, une identification du type de microorganismes détectés sur chaque type de matériau a été réalisée (Tab. 1). A terme, ces résultats permettront d'avoir une image claire des possibilités d'utilisation du bois brut dans ces structures et de son impact sur la qualité de l'air.

<figure><img src="image_260.png" /><figcaption>Fig. 3 : Prélèvements in situ par boites contact</figcaption></figure>

### Etat des surfaces après aérosolisation

La récupération des unités formant des colonies (UFC) sur les différents matériaux montre que le polystyrène (PS) retient plus de bactéries à la surface à J₀, J₁ et J₂, par rapport au chêne et au polypropylène (PP). Les microorganismes présents à la surface du bois diminuent considérablement à partir de J₁, ce résultat traduit une forte inhibition de la croissance bactérienne à la surface du bois, contrairement au PP et PS (Fig. 4). Ce phénomène a été déjà observé par Vainio-Kaila et al (2011) qui ont montré que les unités formant des colonies (UFC) de *E. coli* et *L. monocytogenes* non seulement diminuaient plus rapidement sur le bois de cœur du pin que sur le verre, mais aussi, n'augmentaient pas le lendemain. En effet, la limite minimale détectable (LDM) du *S. aureus* sur le chêne a été atteinte entre 0 et 2 jours alors que cette limite n'a pas été atteinte pour les deux autres matériaux sur le même intervalle de temps (Fig. 4). Ce résultat est similaire à celui obtenu par Chen et al (2020) qui ont montré que la LDM de *E. faecalis*, *K. pneumoniae* et *S. aureus* sur le chêne était compris entre 0 et 2 jours et que cette limite était de plus de 15 jours s'agissant des autres matériaux testés. Le même résultat a été
le bois non verni et l'Acier Inox. Le but ici est d'observer l'influence des matériaux sur la diffusion du nuage bactérien.

## Premiers résultats

### Prélèvements in situ

La tendance des premiers résultats montre que le bois non verni possède une meilleure activité sur la régulation de la croissance microbienne à J₃₀, contrairement à d'autres matériaux (Fig. 3). L'idéal sera d'étendre le suivi afin d'observer la conservation ou non de cette capacité de régulation de la diffusion de microorganismes dans un contexte classique de nettoyage. Parallèlement, une identification du type de microorganismes détectés sur chaque type de matériau a été réalisée (Tab. 1). A terme, ces résultats permettront d'avoir une image claire des possibilités d'utilisation du bois brut dans ces structures et de son impact sur la qualité de l'air.

<figure><img src="image_258.png" /><figcaption>Fig. 3 : Prélèvements in situ par boites contact</figcaption></figure>

### Etat des surfaces après aérosolisation

La récupération des unités formant des colonies (UFC) sur les différents matériaux montre que le polystyrène (PS) retient plus de bactéries à la surface à J₀, J₁ et J₂, par rapport au chêne et au polypropylène (PP). Les microorganismes présents à la surface du bois diminuent considérablement à partir de J₁, ce résultat traduit une forte inhibition de la croissance bactérienne à la surface du bois, contrairement au PP et PS (Fig. 4). Ce phénomène a été déjà observé par Vainio-Kaila et al (2011) qui ont montré que les unités formant des colonies (UFC) de *E. coli* et *L. monocytogenes* non seulement diminuaient plus rapidement sur le bois de cœur du pin que sur le verre, mais aussi, n'augmentaient pas le lendemain. En effet, la limite minimale détectable (LDM) du *S. aureus* sur le chêne a été atteinte entre 0 et 2 jours alors que cette limite n'a pas été atteinte pour les deux autres matériaux sur le même intervalle de temps (Fig. 4). Ce résultat est similaire à celui obtenu par Chen et al (2020) qui ont montré que la LDM de *E. faecalis*, *K. pneumoniae* et *S. aureus* sur le chêne était compris entre 0 et 2 jours et que cette limite était de plus de 15 jours s'agissant des autres matériaux testés. Le même résultat a été
obtenu par Milling et al (2005) qui ont montré qu'après 48 h, aucune bactérie cultivable n'a été détectée sur le chêne, et que la première réduction du nombre de bactéries sur le plastique a commencé 4 jours après l'inoculation et n'a abouti qu'à une réduction de log 2 après 7 jours. Les auteurs ajoutent le fait qu'aucune diminution de bactéries *E. faecium* n'a été observée sur le plastique, au contraire, les bactéries à gram-positif ont pu être récupérées à des niveaux très élevés de plus de 10⁴ UFC par gramme de copeaux de polystyrène après 7 jours (Milling et al 2005).

<table><caption>Tab. 1 : Identification des bactéries sur les matériaux à J30</caption><thead><tr><th rowspan="3">Bactéries identifiées</th><th colspan="14">Zones de prélèvements</th></tr><tr><th colspan="4">PASA</th><th colspan="4">Sanitaires</th><th colspan="4">Salle repas</th><th colspan="4">Bureau Directrice</th><th colspan="4">Accueil</th></tr><tr><th>BV</th><th>BNV</th><th>PVC</th><th>AC</th><th>BV</th><th>BNV</th><th>PVC</th><th>AC</th><th>BV</th><th>BNV</th><th>PVC</th><th>AC</th><th>BV</th><th>BNV</th><th>PVC</th><th>AC</th><th>BV</th><th>BNV</th><th>PVC</th><th>AC</th></tr></thead><tbody><tr><td>Prélèvements à J30</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>S. epidermis</td><td>√</td><td></td><td>√</td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td>√</td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td></tr><tr><td>S. Haemolyticus</td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Priestia megaterium</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Staphylococcus sp.</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Bacillus sp.</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Micrococcus luteus</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>S. hominis</td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>S. capitis</td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Bacillus licheniformis</td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lysinibacillus fusiformis</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>S. saprophyticus</td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Brevibacillus sp.</td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>S. warneri</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Enterococcus faecium</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Total bactérie id/zone à J30</td><td>2</td><td>0</td><td>4</td><td>1</td><td>5</td><td>0</td><td>3</td><td>3</td><td>2</td><td>0</td><td>1</td><td>1</td><td>1</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td><td>2</td><td>0</td><td>1</td><td>0</td></tr></tbody></table>

BV = bois verni, BNV = bois non verni, PVC = polychlorure de vinyle, AC = acier inox

<figure><img src="image_261.png" /><figcaption>Fig. 4 : Récupération de l'aérosol bactérien à la surface des matériaux poreux, aux différentes positions (Fig. 2) : Bois (à gauche) et PS (à droite)</figcaption></figure>

## Conclusion partielle

Cette étude souligne la grande capacité d'inhibition de croissance bactérienne sur le bois brut de chêne. Des études complémentaires sont en cours pour mieux comprendre les mécanismes physiques et chimiques impliqués dans les interactions bois-microorganismes. Nos résultats préliminaires sont également encourageants concernant l'utilisation du chêne dans la construction ou décoration intérieure des établissements de santé.
obtenu par Milling et al (2005) qui ont montré qu'après 48 h, aucune bactérie cultivable n'a été détectée sur le chêne, et que la première réduction du nombre de bactéries sur le plastique a commencé 4 jours après l'inoculation et n'a abouti qu'à une réduction de log 2 après 7 jours. Les auteurs ajoutent le fait qu'aucune diminution de bactéries *E. faecium* n'a été observée sur le plastique, au contraire, les bactéries à gram-positif ont pu être récupérées à des niveaux très élevés de plus de 10⁴ UFC par gramme de copeaux de polystyrène après 7 jours (Milling et al 2005).

<table><caption>Tab. 1 : Identification des bactéries sur les matériaux à J30</caption><thead><tr><th rowspan="3">Bactéries identifiées</th><th colspan="20">Zones de prélèvements</th></tr><tr><th colspan="4">PASA</th><th colspan="4">Sanitaires</th><th colspan="4">Salle repas</th><th colspan="4">Bureau Directrice</th><th colspan="4">Accueil</th></tr><tr><th>BV</th><th>BNV</th><th>PVC</th><th>AC</th><th>BV</th><th>BNV</th><th>PVC</th><th>AC</th><th>BV</th><th>BNV</th><th>PVC</th><th>AC</th><th>BV</th><th>BNV</th><th>PVC</th><th>AC</th><th>BV</th><th>BNV</th><th>PVC</th><th>AC</th></tr></thead><tbody><tr><td>Prélèvements à J30</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>S. epidermis</td><td>√</td><td></td><td>√</td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td>√</td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td></tr><tr><td>S. Haemolyticus</td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Priestia megaterium</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Staphylococcus sp.</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Bacillus sp.</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Micrococcus luteus</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>S. hominis</td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>S. capitis</td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Bacillus licheniformis</td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lysinibacillus fusiformis</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>S. saprophyticus</td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Brevibacillus sp.</td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>S. warneri</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Enterococcus faecium</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>√</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Total bactérie id/zone à J30</td><td>2</td><td>0</td><td>4</td><td>1</td><td>5</td><td>0</td><td>3</td><td>3</td><td>2</td><td>0</td><td>1</td><td>1</td><td>1</td><td>0</td><td>0</td><td>0</td><td>2</td><td>0</td><td>1</td><td>0</td></tr></tbody></table>

BV = bois verni, BNV = bois non verni, PVC = polychlorure de vinyle, AC = acier inox

<figure><img src="image_259.png" /><figcaption>Fig. 4 : Récupération de l'aérosol bactérien à la surface des matériaux poreux, aux différentes positions (Fig. 2) : Bois (à gauche) et PS (à droite)</figcaption></figure>

## Conclusion partielle

Cette étude souligne la grande capacité d'inhibition de croissance bactérienne sur le bois brut de chêne. Des études complémentaires sont en cours pour mieux comprendre les mécanismes physiques et chimiques impliqués dans les interactions bois-microorganismes. Nos résultats préliminaires sont également encourageants concernant l'utilisation du chêne dans la construction ou décoration intérieure des établissements de santé.
## Remerciements

Nous adressons nos remerciements à l'Agence Nationale de Recherche (ANR), au Groupe KORIAN, au CHU d'Angers et à l'ESB de Nantes.

## Références

Chen J-C, Munir MT, Aviat F, Lepelletier D, Le Pape P, Dubreil L, Irle M, Federighi M, Belloncle C, Eveillard M (2020) Survival of Bacterial Strains on Wood (Quercus Petraea) Compared to Polycarbonate, Aluminum and Stainless Steel. Antibiotics, 9:804.

Kotradyová V, Kali Náková B (2014) Wood as Material Suitable for Healthcare and Therapeutic Facilities. Adv. Mater. Res. 1041:362–366.

Kumari S, Kumar R (2020) Green Hospital—A Necessity and Not Option. J. Manag. Res. Anal. 7:46–51.

Milling A, Smalla K, Kehr R, Wulf A. The use of wood in practice – a hygienic risk? Holz Als Roh- Werkst. 63(6):463-72.

Munir MT, Aviat F, Pailhories H, Eveillard M, Irle M, Federighi M, Belloncle C (2019b) Direct Screening Method to Assess Antimicrobial Behavior of Untreated Wood. Eur. J. Wood Wood Prod. 77:319–322.

Munir MT, Pailhoriès H, Eveillard M, Aviat F, Lepelletier D, Belloncle C, Federighi MM (2019a) Antimicrobial Characteristics of Untreated Wood: Towards a Hygienic Environment. Health (N.Y.), 11:152.

Vainio-Kaila T, Kyyhkynen A, Viitaniemi P, Siitonen A (2011) Pine heartwood and glass surfaces: easy method to test the fate of bacterial contamination. Eur J Wood Wood Prod. 69(3):391-5.
## Remerciements

Nous adressons nos remerciements à l'Agence Nationale de Recherche (ANR), au Groupe KORIAN, au CHU d'Angers et à l'ESB de Nantes.

## Références

Chen J-C, Munir MT, Aviat F, Lepelletier D, Le Pape P, Dubreil L, Irle M, Federighi M, Belloncle C, Eveillard M (2020) Survival of Bacterial Strains on Wood (Quercus Petraea) Compared to Polycarbonate, Aluminum and Stainless Steel. Antibiotics, 9:804.

Kotradyová V, Kali Náková B (2014) Wood as Material Suitable for Healthcare and Therapeutic Facilities. Adv. Mater. Res. 1041:362–366.

Kumari S, Kumar R (2020) Green Hospital—A Necessity and Not Option. J. Manag. Res. Anal. 7:46–51.

Milling A, Smalla K, Kehr R, Wulf A. The use of wood in practice – a hygienic risk? Holz Als Roh- Werkst. 63(6):463-72.

Munir MT, Aviat F, Pailhories H, Eveillard M, Irle M, Federighi M, Belloncle C (2019b) Direct Screening Method to Assess Antimicrobial Behavior of Untreated Wood. Eur. J. Wood Wood Prod. 77:319–322.

Munir MT, Pailhoriès H, Eveillard M, Aviat F, Lepelletier D, Belloncle C, Federighi MM (2019a) Antimicrobial Characteristics of Untreated Wood: Towards a Hygienic Environment. Health (N.Y.), 11:152.

Vainio-Kaila T, Kyyhkynen A, Viitaniemi P, Siitonen A (2011) Pine heartwood and glass surfaces: easy method to test the fate of bacterial contamination. Eur J Wood Wood Prod. 69(3):391-5.
# EVIBOIS: Monitoring of the Vibratory Behaviour of Tall Timber Building

JANOT Dorian<fnref n="1" />, VIEUX-CHAMPAGNE Florent<fnref n="1" />, GUEGUEN Philippe<fnref n="2" />,
BOUDAUD Clément<fnref n="3" />

**Key words:** High-rise timber building; Vibratory behaviour; Operational Modal Analysis; Continuous monitoring

## Context and objectives

### State of the art

Structural health monitoring (SHM) is facing several scientific issues related to (1) the building specific response for normally equivalent buildings, (2) paucity of experimental data in normal and abnormal condition, and (3) the operational and environmental conditions effects. Timber constructions are lighter and less stiff than conventional buildings (e.g., steel or reinforced concrete buildings), resulting in a different behaviour about horizontal vibrations (Ostman and Kallsner 2011) and (Schmidt et al. 2018). For timber constructions, since the development is recent, experimental testing is necessary to better understand the behaviour (Abrahamsen et al. 2020). Feldmann et al. (2016) showed differences in modal behaviour between normally equivalent timber building (e.g., solid timber with concrete core, timber frame with timber core and timber frame with concrete core). Most of the studies are punctual measures (Reynolds et al. 2015) and do not take into account long term, seasonal and/or daily effects. Abrahamsen et al. (2020) showed that wind leads to risks for comfort of final users in tall timber buildings. The EVIBOIS project aims at improving our understanding of the dynamical behaviour of high-rise timber construction, by studying the case of CLT building with no concrete core, located in Grenoble, France.

<figure><img src="image_262.png" /><figcaption>Fig. 1: The “Haut-Bois”, R+8 (left), concrete stairwell (middle), R+5 (right)</figcaption></figure>

### Studied building: The “Haut-Bois”

The “Haut-Bois” is a set of two residential timber buildings of 56 apartments, 5 and 8 storeys high (18 m and 28 m respectively) and covered with zinc cladding (Fig 1). There is no concrete core in the buildings. Current storeys are made of Cross Laminated Timber (CLT) for shear

<footnote n="1">¹Univ. Grenoble Alpes, Grenoble INP, CNRS, 3SR, F-38000, Grenoble France</footnote>

<footnote n="2">²ISTerre, Université Grenoble Alpes, Université Savoie Mont-Blanc, CNRS, IRD, Université
Gustave Eiffel, Grenoble, France</footnote>

<footnote n="3">³ESB, LIMBHA, Nantes, France</footnote>

<footnote>clement.boudaud@esb-campus.fr</footnote>
# EVIBOIS: Monitoring of the Vibratory Behaviour of Tall Timber Building

JANOT Dorian<fnref n="1" />, VIEUX-CHAMPAGNE Florent<fnref n="1" />, GUEGUEN Philippe<fnref n="2" />,
BOUDAUD Clément<fnref n="3" />

**Key words:** High-rise timber building; Vibratory behaviour; Operational Modal Analysis; Continuous monitoring

## Context and objectives

### State of the art

Structural health monitoring (SHM) is facing several scientific issues related to (1) the building specific response for normally equivalent buildings, (2) paucity of experimental data in normal and abnormal condition, and (3) the operational and environmental conditions effects. Timber constructions are lighter and less stiff than conventional buildings (e.g., steel or reinforced concrete buildings), resulting in a different behaviour about horizontal vibrations (Ostman and Kallsner 2011) and (Schmidt et al. 2018). For timber constructions, since the development is recent, experimental testing is necessary to better understand the behaviour (Abrahamsen et al. 2020). Feldmann et al. (2016) showed differences in modal behaviour between normally equivalent timber building (e.g., solid timber with concrete core, timber frame with timber core and timber frame with concrete core). Most of the studies are punctual measures (Reynolds et al. 2015) and do not take into account long term, seasonal and/or daily effects. Abrahamsen et al. (2020) showed that wind leads to risks for comfort of final users in tall timber buildings. The EVIBOIS project aims at improving our understanding of the dynamical behaviour of high-rise timber construction, by studying the case of CLT building with no concrete core, located in Grenoble, France.

<figure><img src="image_260.png" /><figcaption>Fig. 1: The “Haut-Bois”, R+8 (left), concrete stairwell (middle), R+5 (right)</figcaption></figure>

### Studied building: The “Haut-Bois”

The “Haut-Bois” is a set of two residential timber buildings of 56 apartments, 5 and 8 storeys high (18 m and 28 m respectively) and covered with zinc cladding (Fig 1). There is no concrete core in the buildings. Current storeys are made of Cross Laminated Timber (CLT) for shear

<footnote n="1">¹Univ. Grenoble Alpes, Grenoble INP, CNRS, 3SR, F-38000, Grenoble France</footnote>

<footnote n="2">²ISTerre, Université Grenoble Alpes, Université Savoie Mont-Blanc, CNRS, IRD, Université
Gustave Eiffel, Grenoble, France</footnote>

<footnote n="3">³ESB, LIMBHA, Nantes, France</footnote>

<footnote>clement.boudaud@esb-campus.fr</footnote>
walls and floors, Glulam (GL24h) for beams and some I-section steel beams. Each timber building is dynamically separated from the concrete stairwell by seismic expansion joints.

## Methods

### Data acquisition

A semi-permanent monitoring (still going after 20 months) is installed at the top of building, it's composed of three velocimeters Lennartz 3D-5s. A full-scale measure is also performed to define a reference for the modal identification. The concrete stairwell is also measured once to understand the transmission of vibrations through the building and the stairwell. A weather station Vantage Pro 2 Davis Instruments is installed next to the "Haut-Bois" to register ambient temperature, wind speed, wind direction and ambient relative humidity.

### Analysis methods

Two methods are used to analyse the time series: FDD for modal analysis (modal shapes and natural frequencies) and RDT for damping (Reynolds et al. 2016).

## Results and discussion

Results presents the vibratory behaviour of the building and its variations over time. Three modes are clearly identified at frequencies $f_{E1} = 1.88$ Hz, $f_{N1} = 2.46$ Hz and $f_{Z1} = 2.76$ Hz. The analysis of the mode shapes shows that the first mode is flexion on the axis East, the second mode is flexion on the axis North and third mode is torsion around the Z axis (Fig. 2).

<figure><img src="image_263.png" /><figcaption>Fig. 2 : Modal shapes of the 8 storeys timber building</figcaption></figure>

Fig. 3 shows the evolution of the fundamental frequency, the relative humidity, the temperature and the wind velocity over the first year of occupancy. Many analysis can be derived from these data, some will be presented in the poster, such as observing the evolution of one modal frequency in respect to the temperature (Fig. 4) or in respect to the relative humidity (Fig. 5).

Also, these data can be used to identify how much each environnemental variable command the dynamic behaviour of the structure. A multilinear regression is used to calculate the partial coefficients $\alpha$, $\beta$, $\gamma$ and $\epsilon$ (error) that provide the best assessment of the fundamental frequency $f_1$, based on the temperature $T$, the Relative Humidity $RH$, the wind velocity $W$ and the initial fundamental frequency $f_{1_0}$:

$$f_1 = \alpha T + \beta RH + \gamma W + f_{1_0} + \epsilon \quad (1)$$
walls and floors, Glulam (GL24h) for beams and some I-section steel beams. Each timber building is dynamically separated from the concrete stairwell by seismic expansion joints.

## Methods

### Data acquisition

A semi-permanent monitoring (still going after 20 months) is installed at the top of building, it's composed of three velocimeters Lennartz 3D-5s. A full-scale measure is also performed to define a reference for the modal identification. The concrete stairwell is also measured once to understand the transmission of vibrations through the building and the stairwell. A weather station Vantage Pro 2 Davis Instruments is installed next to the "Haut-Bois" to register ambient temperature, wind speed, wind direction and ambient relative humidity.

### Analysis methods

Two methods are used to analyse the time series: FDD for modal analysis (modal shapes and natural frequencies) and RDT for damping (Reynolds et al. 2016).

## Results and discussion

Results presents the vibratory behaviour of the building and its variations over time. Three modes are clearly identified at frequencies $f_{E1} = 1.88$ Hz, $f_{N1} = 2.46$ Hz and $f_{Z1} = 2.76$ Hz. The analysis of the mode shapes shows that the first mode is flexion on the axis East, the second mode is flexion on the axis North and third mode is torsion around the Z axis (Fig. 2).

<figure><img src="image_261.png" /><figcaption>Fig. 2 : Modal shapes of the 8 storeys timber building</figcaption></figure>

Fig. 3 shows the evolution of the fundamental frequency, the relative humidity, the temperature and the wind velocity over the first year of occupancy. Many analysis can be derived from these data, some will be presented in the poster, such as observing the evolution of one modal frequency in respect to the temperature (Fig. 4) or in respect to the relative humidity (Fig. 5).

Also, these data can be used to identify how much each environnemental variable command the dynamic behaviour of the structure. A multilinear regression is used to calculate the partial coefficients $\alpha$, $\beta$, $\gamma$ and $\varepsilon$ (error) that provide the best assessment of the fundamental frequency $f_1$, based on the temperature $T$, the Relative Humidity $RH$, the wind velocity $W$ and the initial fundamental frequency $f_{1_0}$:

$$f_1 = \alpha T + \beta RH + \gamma W + f_{1_0} + \varepsilon \quad (1)$$
<figure><img src="image_264.png" /><figcaption>Fig. 3 : Evolution of the modal parameters and environmental data over time. Black or grey line represent the value over a window of 1 hour, the colored lines represent the moving average value over 24h.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_265.png" /><figcaption>Fig. 4 : Fundmanetal frequency versus temperature. Colored dots are the frequency (over 1 hour of observation), each color represent a range (15 quantiles) of temperatures. Black dots are the average value of a temperature range (grey lines are the standard deviation). The linear regression of the black dots is also displayed.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_266.png" /><figcaption>Fig. 5 : Fundmanetal frequency versus relative humidity. Colored dots are the frequency (over 1 hour of observation), each color represent a range (15 quantiles) of relative humidity. Black dots are the average value of a relative humidity range (grey lines are the standard deviation). The linear regression of the black dots is also displayed.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_262.png" /><figcaption>Fig. 3 : Evolution of the modal parameters and environmental data over time. Black or grey line represent the value over a window of 1 hour, the colored lines represent the moving average value over 24h.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_263.png" /><figcaption>Fig. 4 : Fundmanetal frequency versus temperature. Colored dots are the frequency (over 1 hour of observation), each color represent a range (15 quantiles) of temperatures. Black dots are the average value of a temperature range (grey lines are the standard deviation). The linear regression of the black dots is also displayed.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_264.png" /><figcaption>Fig. 5 : Fundmanetal frequency versus relative humidity. Colored dots are the frequency (over 1 hour of observation), each color represent a range (15 quantiles) of relative humidity. Black dots are the average value of a relative humidity range (grey lines are the standard deviation). The linear regression of the black dots is also displayed.</figcaption></figure>
Fig. 6 presents the comparison between the modeled fundamental frequency (blue curve) and the measured one (red curve). The global trends of the curves are similar and most of the variations are described. This approach is currently being developed for other dynamical properties, such as modal dampings and modal strain energies.

<figure><img src="image_267.png" /><figcaption>Fig. 6 : Estimation of fundamental frequency using environmental multilinear model</figcaption></figure>

## Conclusion

The specificity of this project is the vibrational monitoring of a 8 storey timber building by continuous measurement over a long period of time (20 months so far). Combined with environmental measurements, the evolution of the dynamic parameters can be observed and correlation between environnemental phenomenon and these evolution can be studied. Base on a multilinear regression, the current work aims at ranking the environnemental contributing factors of the dynamic properties evolutions.

One outlook is to study the link between these dynamic properties and user's comfort. For example in studying in more detail the damping (as it is a major mitigating factor in vibration discomfort and in-situ measurements are relatively rare). Another example is to compare the analytical method of Eurocode 1 (2010) to determine the maximal characteristic acceleration to the measured one and the threshold proposed in ISO 10137 (2007).

## Acknowledgements

The financial support provided by IRGA (Univ. Grenoble Alpes) is gratefully acknowledged. Thanks to Actis for the agreement-in-principle for letting us to study the building.

## References

Abrahamsen R, Bjertnaes M.A, Bouillot J, Brank B, Cabaton L, Crocetti R, Flamand O, Garains F, Gavric I, Germain O, et al. (2020) Dynamic response of tall timber buildings under service load: The dynaTTB research program, in: EURODYN 2020, XI International Conference on Structural Dynamics, Athens, Greece, 22–24 June 2020, National Technical University of Athens. pp. 4900–4910.

Eurocode 1 (2010) NF EN 1991-1-4 Actions on structures – Part 1-4: General actions - Wind actions, CEN.
Fig. 6 presents the comparison between the modeled fundamental frequency (blue curve) and the measured one (red curve). The global trends of the curves are similar and most of the variations are described. This approach is currently being developed for other dynamical properties, such as modal dampings and modal strain energies.

<figure><img src="image_265.png" /><figcaption>Fig. 6 : Estimation of fundamental frequency using environmental multilinear model</figcaption></figure>

## Conclusion

The specificity of this project is the vibrational monitoring of a 8 storey timber building by continuous measurement over a long period of time (20 months so far). Combined with environmental measurements, the evolution of the dynamic parameters can be observed and correlation between environnemental phenomenon and these evolution can be studied. Based on a multilinear regression, the current work aims at ranking the environnemental contributing factors of the dynamic properties evolutions.

One outlook is to study the link between these dynamic properties and user's comfort. For example in studying in more detail the damping (as it is a major mitigating factor in vibration discomfort and in-situ measurements are relatively rare). Another example is to compare the analytical method of Eurocode 1 (2010) to determine the maximal characteristic acceleration to the measured one and the threshold proposed in ISO 10137 (2007).

## Acknowledgements

The financial support provided by IRGA (Univ. Grenoble Alpes) is gratefully acknowledged. Thanks to Actis for the agreement-in-principle for letting us to study the building.

## References

Abrahamsen R, Bjertnaes M.A, Bouillot J, Brank B, Cabaton L, Crocetti R, Flamand O, Garains F, Gavric I, Germain O, et al. (2020) Dynamic response of tall timber buildings under service load: The dynaTTB research program, in: EURODYN 2020, XI International Conference on Structural Dynamics, Athens, Greece, 22–24 June 2020, National Technical University of Athens, pp. 4900–4910.

Eurocode 1 (2010) NF EN 1991-1-4 Actions on structures – Part 1-4: General actions - Wind actions, CEN.
Feldmann A, Huang H, Chang W, Harris R, Dietsch P, Grafe M, Hein C (2016) Dynamic properties of tall timber structures under wind-induced vibration, in: World Conference on Timber Engineering (WCTE 2016).

ISO 10137 (2007) Base for design of structures – Serviceability of buildings and walkways against vibrations, International Standard.

Ostman B, Kallsner B (2011) National building regulations in relation to multi-storey wooden buildings in Europe. SP Tratek and Vaxjo University, Sweden.

Reynolds T, Harris R, Chang W.S, Bregulla J, Bawcombe J (2015) Ambient vibration tests of a cross-laminated timber building. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Construction Materials 168, 121–131.

Reynolds T, Casagrande D, Tomasi R (2016) Comparison of multi-storey cross-laminated timber and timber frame buildings by in situ modal analysis. Construction and building materials 102, 1009–1017.

Schmidt E.L, Riggio M, Laleicke P.F, Barbosa A.R, Van Den Wymelenberg K (2018) How monitoring CLT buildings can remove market barriers and support designers in north America: an introduction to preliminary environmental studies. Portuguese Journal of Structural Engineering, 41–48.
Feldmann A, Huang H, Chang W, Harris R, Dietsch P, Grafe M, Hein C (2016) Dynamic properties of tall timber structures under wind-induced vibration, in: World Conference on Timber Engineering (WCTE 2016).

ISO 10137 (2007) Base for design of structures – Serviceability of buildings and walkways against vibrations, International Standard.

Ostman B, Kallsner B (2011) National building regulations in relation to multi-storey wooden buildings in Europe. SP Tratek and Vaxjo University, Sweden.

Reynolds T, Harris R, Chang W.S, Bregulla J, Bawcombe J (2015) Ambient vibration tests of a cross-laminated timber building. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Construction Materials 168, 121–131.

Reynolds T, Casagrande D, Tomasi R (2016) Comparison of multi-storey cross-laminated timber and timber frame buildings by in situ modal analysis. Construction and building materials 102, 1009–1017.

Schmidt E.L, Riggio M, Laleicke P.F, Barbosa A.R, Van Den Wymelenberg K (2018) How monitoring CLT buildings can remove market barriers and support designers in north America: an introduction to preliminary environmental studies. Portuguese Journal of Structural Engineering, 41–48.
# Conception et développement de structures écologiques à architecture contrôlée à base de mycélium

FIGEL Laura<fnref n="1" />, AGUILAR Kyle<fnref n="1" />, SAKER Safwan<fnref n="2" />, BESSERER Arnaud<fnref n="1" />, BROSSE Nicolas<fnref n="1" />

**Mots clefs** : bois ; champignon ; mycocomposite ; mycélium ; stratoconception

## Contexte et objectifs

Le secteur du bâtiment représente 23 % des émissions de CO₂ pour la France (Ministères Écologie Énergie Territoires, 2022). En vue d'atteindre les objectifs de neutralité carbone à l'horizon 2030, un changement de paradigme dans le secteur du bâtiment est indispensable. Dans le cadre d'une transition énergétique soutenable, l'isolation thermique des bâtiments est actuellement au cœur des préoccupations. Cependant, les isolants actuels sont majoritairement d'origine fossile et leur empreinte carbone est très négative. Des solutions biosourcées comme la laine de bois ou la ouate de cellulose sont disponibles à l'échelle industrielle et sont en plein développement. En parallèle les possibilités offertes par le numérique et la robotique révolutionnent la conception des bâtiments. Cela se traduit par l'apparition de parois aux formes complexes et non standardisées qui ne permettent pas l'utilisation optimale des matériaux isolants disponibles sur le marché. Enfin, la préoccupation incendie et particulièrement la propagation des feux couvant dans les parois constitue un défi pour la construction bois et biosourcée. Les nouveaux usages des bâtiments combinés aux tensions sur les matières premières et à l'urgence climatique imposent le développement de nouveaux produits. Le projet présenté ici vise à concevoir et développer un matériau isolant innovant à base de lignocellulose dont la cohésion est assurée par des hyphes de champignons filamenteux : le mycocomposite. Un tel isolant présente l'avantage d'être biosourcé, biodégradable, ignifugé et surtout de s'inscrire dans une perspective d'économie circulaire et de transition écologique et énergétique (Elsacker et al. 2020, Fairus et al. 2022). Les mycocomposites développés seront utilisés pour remplir des structures en bois alvéolaires fabriquées en stratoconception®. Le procédé de stratoconception® est une addition de couches de bois usinées pour reconstituer un objet de forme complexe (Fréchard et Meyer 2022). Le matériau mycocomposite ayant la capacité de progresser et d'occuper la totalité d'un espace creux tout en restant solide, associé à la stratoconception®, ce matériau innovant permettra aux architectes d'envisager de nouveaux modes de conception et de fabrication en limitant fortement la production de déchets.

## Matériels et méthodes

### Matériau bois

Les panneaux de bois seront usinés selon la méthode de stratoconception (Fig 1). Les coproduits d'usinage (sciure, particules, chutes, ...) sont utilisés pour la production du matériau isolant mycocomposite dans une logique de zéro déchet. Un scénario feuillu et un scénario résineux sera envisagé.

<footnote n="1">¹ Université de Lorraine, LERMAB, France</footnote>

<footnote n="2">² CRITT, 27 rue Philippe Séguin, 8000 Épinal, France
laura.figel@univ-lorraine.fr</footnote>
# Conception et développement de structures écologiques à architecture contrôlée à base de mycélium

FIGEL Laura¹, AGUILAR Kyle¹, SAKER Safwan², BESSERER Arnaud¹, BROSSE Nicolas¹

¹ Université de Lorraine, LERMAB, France

² CRITT, 27 rue Philippe Séguin, 8000 Épinal, France
laura.figel@univ-lorraine.fr

**Mots clefs** : bois ; champignon ; mycocomposite ; mycélium ; stratoconception

## Contexte et objectifs

Le secteur du bâtiment représente 23 % des émissions de CO₂ pour la France (Ministères Écologie Énergie Territoires, 2022). En vue d'atteindre les objectifs de neutralité carbone à l'horizon 2030, un changement de paradigme dans le secteur du bâtiment est indispensable. Dans le cadre d'une transition énergétique soutenable, l'isolation thermique des bâtiments est actuellement au cœur des préoccupations. Cependant, les isolants actuels sont majoritairement d'origine fossile et leur empreinte carbone est très négative. Des solutions biosourcées comme la laine de bois ou la ouate de cellulose sont disponibles à l'échelle industrielle et sont en plein développement. En parallèle les possibilités offertes par le numérique et la robotique révolutionnent la conception des bâtiments. Cela se traduit par l'apparition de parois aux formes complexes et non standardisées qui ne permettent pas l'utilisation optimale des matériaux isolants disponibles sur le marché. Enfin, la préoccupation incendie et particulièrement la propagation des feux couvant dans les parois constitue un défi pour la construction bois et biosourcée. Les nouveaux usages des bâtiments combinés aux tensions sur les matières premières et à l'urgence climatique imposent le développement de nouveaux produits. Le projet présenté ici vise à concevoir et développer un matériau isolant innovant à base de lignocellulose dont la cohésion est assurée par des hyphes de champignons filamenteux : le mycocomposite. Un tel isolant présente l'avantage d'être biosourcé, biodégradable, ignifugé et surtout de s'inscrire dans une perspective d'économie circulaire et de transition écologique et énergétique (Elsacker et al. 2020, Fairus et al. 2022). Les mycocomposites développés seront utilisés pour remplir des structures en bois alvéolaires fabriquées en stratoconception®. Le procédé de stratoconception® est une addition de couches de bois usinées pour reconstituer un objet de forme complexe (Fréchard et Meyer 2022). Le matériau mycocomposite ayant la capacité de progresser et d'occuper la totalité d'un espace creux tout en restant solide, associé à la stratoconception®, ce matériau innovant permettra aux architectes d'envisager de nouveaux modes de conception et de fabrication en limitant fortement la production de déchets.

## Matériels et méthodes

### Matériau bois

Les panneaux de bois seront usinés selon la méthode de stratoconception (Fig 1). Les coproduits d'usinage (sciure, particules, chutes, ...) sont utilisés pour la production du matériau isolant mycocomposite dans une logique de zéro déchet. Un scénario feuillu et un scénario résineux sera envisagé.
<figure><img src="image_268.png" /><figcaption>Fig 1 : Principe du procédé breveté de Stratoconception® (Fréchard et al., 2022).</figcaption></figure>

## Production de mycocomposites

La méthode de production des mycocomposites à partir de bois est réalisée selon le procédé développé dans le cadre du projet Profex (Aguilar et al., sous presse). Il comprend trois étapes (Fig. 2). Le bois est d'abord prétraité et fonctionnalisé pour maximiser son interaction avec le champignon. En parallèle une culture liquide du champignon *Trametes versicolor* est réalisée dans le milieu malt 2 %. La deuxième étape consiste à ensemencer les pellets dans la biomasse pendant 2 semaines à 28 °C et 60 % RH. Le mélange obtenu est appelé la pré-culture solide. Le champignon va coloniser et assimiler partiellement et de manière hétérogène la biomasse bois humide. Cette pré-culture est ensuite utilisée pour former le mycocomposite. La croissance du champignon est ensuite stoppée facilement (par chauffage à 50°C, pulvérisation H₂O₂ ou microondes).

<figure><img src="image_269.png" /><figcaption>Fig. 2 : Etape de fabrication des mycocomposites, ① Prétraitement de la biomasse hêtre et culture liquide de *T. versicolor* en bioréacteur, ② couplage essence/champignon et ③ conception puis caractérisations du mycocomposite.</figcaption></figure>

## Caractérisation de mycocomposites

Les mycocomposites ont été broyés avec un broyeur cryogénique CryoMill Retsch. Ils ont ensuite été marqués avec le fluorochrome WGA-Alexa 488 (Thermo Fischer) puis caractérisés au microscope optique Leica DM2700 M, filtres L5 (λex BP 480/40 et λex BP 527/30) et N2.1 (λex 515-560 et λex 590). Les mycocomposites ont été métallisés Or/palladium 4.8 Å puis observés au microscope électronique à balayage (MEB) Jeol IT200.
<figure><img src="image_266.png" /><figcaption>Fig 1 : Principe du procédé breveté de Stratoconception® (Fréchard et al., 2022).</figcaption></figure>

## Production de mycocomposites

La méthode de production des mycocomposites à partir de bois est réalisée selon le procédé développé dans le cadre du projet Profex (Aguilar et al., sous presse). Il comprend trois étapes (Fig. 2). Le bois est d'abord prétraité et fonctionnalisé pour maximiser son interaction avec le champignon. En parallèle une culture liquide du champignon *Trametes versicolor* est réalisée dans le milieu malt 2 %. La deuxième étape consiste à ensemencer les pellets dans la biomasse pendant 2 semaines à 28 °C et 60 % RH. Le mélange obtenu est appelé la pré-culture solide. Le champignon va coloniser et assimiler partiellement et de manière hétérogène la biomasse bois humide. Cette pré-culture est ensuite utilisée pour former le mycocomposite. La croissance du champignon est ensuite stoppée facilement (par chauffage à 50°C, pulvérisation H₂O₂ ou microondes).

<figure><img src="image_267.png" /><figcaption>Fig. 2 : Etape de fabrication des mycocomposites, ① Prétraitement de la biomasse hêtre et culture liquide de *T. versicolor* en bioréacteur, ② couplage essence/champignon et ③ conception puis caractérisations du mycocomposite.</figcaption></figure>

## Caractérisation de mycocomposites

Les mycocomposites ont été broyés avec un broyeur cryogénique CryoMill Retsch. Ils ont ensuite été marqués avec le fluorochrome WGA-Alexa 488 (Thermo Fischer) puis caractérisés au microscope optique Leica DM2700 M, filtres L5 (λex BP 480/40 et λex BP 527/30) et N2.1 (λex 515-560 et λex 590). Les mycocomposites ont été métallisés Or/palladium 4.8 Å puis observés au microscope électronique à balayage (MEB) Jeol IT200.
## Résultats et discussion

Chaque étape de production du mycocomposite doit être optimisée pour obtenir le matériau innovant désiré. Nous cherchons dans un premier temps à répondre à diverses questions liées à la croissance fongique au sein même du mycocomposite. En effet, l'objectif est d'obtenir un matériau avec une colonisation fongique la plus homogène possible. Cette phase nécessite de pouvoir visualiser le champignon au sein du matériau. Les premières observations réalisées par microscopie fluorescence sur le système modèle hêtre/ *T. versicolor* montrent que le mycélium était bien incorporé aux particules de bois (Fig. 3) et constitue un réseau d'hyphe dense.

<figure><img src="image_270.png" /><figcaption>Fig. 3 : Observation en microscopie fluorescence de mycocomposites. En vert ① le champignon (WGA-AlexaFluor 488) et en rouge ② les particules de bois (auto-fluorescence).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_271.png" /></figure>

<figure><img src="image_272.png" /><figcaption>Fig. 4 : Observation MEB d'un mycocomposite hêtre/ *T. versicolor*, ① biomasse hêtre, ② mycélium de *T. versicolor* et ③ vide.</figcaption></figure>

En corrélat la microscopie à fluorescence au MEB, nous pouvons visualiser comment les hyphes s'entremêlent dans les particules de bois (Fig. 4). Les étapes suivantes viseront à caractériser la densité de remplissage du mycélium et à étudier comment les différents prétraitements modifient les interactions bois-champignon et aboutissent à des matériaux mycocomposites qui répondent au cahier des charges.

Une fois les conditions de fabrications des mycocomposites optimisées, différents types de caractérisations et d'optimisations du mycocomposite sont envisagées (Tab. 1).

<table><caption>Tab. 1 : Liste de caractérisations des mycocomposites et outils envisagés.</caption><thead><tr><th>Caractérisations</th><th>Outils envisagés</th></tr></thead><tbody><tr><td>Propriétés physiques et thermiques</td><td><ul><li>Isotherme de sorption et hystérésis</li><li>Retrait/gonflement</li><li>Coefficient de diffusion massique</li><li>Porosité/ perméabilité</li><li>Tortuosité</li></ul></td></tr><tr><td>Propriétés mécaniques</td><td><ul><li>Tests de traction</li><li>Tests de gonflement</li></ul></td></tr><tr><td>Propriétés acoustiques/phoniques</td><td>Propagation d'ondes</td></tr><tr><td>Comportement au feu</td><td>Cône calorimètre de combustion, panneau radiant</td></tr><tr><td>Compostabilité</td><td>Test gravimétrique sur longue durée (Zimele et al., 2020)</td></tr><tr><td>Hygroscopique</td><td>Régulation de l'humidité intérieur</td></tr></tbody></table>

Ces caractérisations nous permettront d'optimiser la ou les condition(s) idéale(s) de fabrication des mycocomposites. Par exemple, des premiers essais en traction ont montré que le prétraitement de la biomasse influe fortement sur les propriétés mécaniques (Fig. 5).
## Résultats et discussion

Chaque étape de production du mycocomposite doit être optimisée pour obtenir le matériau innovant désiré. Nous cherchons dans un premier temps à répondre à diverses questions liées à la croissance fongique au sein même du mycocomposite. En effet, l'objectif est d'obtenir un matériau avec une colonisation fongique la plus homogène possible. Cette phase nécessite de pouvoir visualiser le champignon au sein du matériau. Les premières observations réalisées par microscopie fluorescence sur le système modèle hêtre/ *T. versicolor* montrent que le mycélium était bien incorporé aux particules de bois (Fig. 3) et constitue un réseau d'hyphe dense.

<figure><img src="image_268.png" /><figcaption>Fig. 3 : Observation en microscopie fluorescence de mycocomposites. En vert ① le champignon (WGA-AlexaFluor 488) et en rouge ② les particules de bois (auto-fluorescence).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_269.png" /></figure>

<figure><img src="image_270.png" /><figcaption>Fig. 4 : Observation MEB d'un mycocomposite hêtre/ *T. versicolor*, ① biomasse hêtre, ② mycélium de *T. versicolor* et ③ vide.</figcaption></figure>

En corrélat la microscopie à fluorescence au MEB, nous pouvons visualiser comment les hyphes s'entremêlent dans les particules de bois (Fig. 4). Les étapes suivantes viseront à caractériser la densité de remplissage du mycélium et à étudier comment les différents prétraitements modifient les interactions bois-champignon et aboutissent à des matériaux mycocomposites qui répondent au cahier des charges.

Une fois les conditions de fabrications des mycocomposites optimisées, différents types de caractérisations et d'optimisations du mycocomposite sont envisagées (Tab. 1).

<table><caption>Tab. 1 : Liste de caractérisations des mycocomposites et outils envisagés.</caption><thead><tr><th>Caractérisations</th><th>Outils envisagés</th></tr></thead><tbody><tr><td>Propriétés physiques et thermiques</td><td><ul><li>Isotherme de sorption et hystérésis</li><li>Retrait/gonflement</li><li>Coefficient de diffusion massique</li><li>Porosité/ perméabilité</li><li>Tortuosité</li></ul></td></tr><tr><td>Propriétés mécaniques</td><td><ul><li>Tests de traction</li><li>Tests de gonflement</li></ul></td></tr><tr><td>Propriétés acoustiques/phoniques</td><td>Propagation d'ondes</td></tr><tr><td>Comportement au feu</td><td>Cône calorimètre de combustion, panneau radiant</td></tr><tr><td>Compostabilité</td><td>Test gravimétrique sur longue durée (Zimele et al., 2020)</td></tr><tr><td>Hygroscopique</td><td>Régulation de l'humidité intérieur</td></tr></tbody></table>

Ces caractérisations nous permettront d'optimiser la ou les condition(s) idéale(s) de fabrication des mycocomposites. Par exemple, des premiers essais en traction ont montré que le prétraitement de la biomasse influe fortement sur les propriétés mécaniques (Fig. 5).
<figure><img src="image_273.png" /><figcaption>Fig. 5 : Caractérisation d'un mycocomposite sans prétraitement de la biomasse hêtre (vert) et avec prétraitement (rouge).</figcaption></figure>

## Conclusion et perspectives

À terme, ce projet permettra de développer des isolants semi-rigides d'épaisseur variable et destinés à remplir *intra-muros* de grandes alvéoles lors du processus de fabrication des murs. Pour y parvenir, plusieurs verrous sont à lever, notamment trouver les conditions idéales pour la croissance fongique ainsi que pour le prétraitement de la biomasse. Nous devons également savoir comment le mycelium se développe dans les particules de bois.

## Références

Elsacker E., Vandelook S., Van Wylic A., Ruytinx, J., De Laet L., Peeters E. (2020) A comprehensive framework for the production of mycelium-based lignocellulosic composites. Science of The Total Environment, 725, 138431.

Fairus M.J.B.M., Bahrin E.K., Arbaain E.N.N., Ramli, Enis N. (2022) Mycelium-based composite: A way forward for renewable material. J. Sustain. Sci. Manag, 17, 271-280.

Fréchard V., Bléron L., Meyer J. (2021) Proposition d'une méthode de conception-fabrication pour l'architecture en bois. Application du procédé de Stratoconception®. In 10èmes Journées Annuelles du GDR3544 Sciences du Bois, 17-19 novembre 2021, Montpellier, pp. 101-104.

Ministère Écologie Énergie Territoires (2022) Construction et performance environnementale du bâtiment, ecologie.gouv.fr. Disponible sur https://www.ecologie.gouv.fr/construction-et-performance-environnementale-du-batiment (Consulté le 06 Novembre 2023).

Ziegler-Devin I., Chrusciel L., Brosse N. (2021) Steam explosion pretreatment of lignocellulosic biomass: a mini-review of theoretical and experimental approaches. Frontiers in Chemistry, 9, 705358.

Zimele Z., Irbe I., Grinins J., Bikovens O., Verovkins A., Bajare D. (2020) Novel mycelium-based biocomposites (Mbb) as building materials. Journal of Renewable Materials, 8(9), 1067-1076.
<figure><img src="image_271.png" /><figcaption>Fig. 5 : Caractérisation d'un mycocomposite sans prétraitement de la biomasse hêtre (vert) et avec prétraitement (rouge).</figcaption></figure>

## Conclusion et perspectives

À terme, ce projet permettra de développer des isolants semi-rigides d'épaisseur variable et destinés à remplir *intra-muros* de grandes alvéoles lors du processus de fabrication des murs. Pour y parvenir, plusieurs verrous sont à lever, notamment trouver les conditions idéales pour la croissance fongique ainsi que pour le prétraitement de la biomasse. Nous devons également savoir comment le mycelium se développe dans les particules de bois.

## Références

Elsacker E., Vandelook S., Van Wylic A., Ruytinx, J., De Laet L., Peeters E. (2020) A comprehensive framework for the production of mycelium-based lignocellulosic composites. Science of The Total Environment, 725, 138431.

Fairus M.J.B.M., Bahrin E.K., Arbaain E.N.N., Ramli, Enis N. (2022) Mycelium-based composite: A way forward for renewable material. J. Sustain. Sci. Manag, 17, 271-280.

Fréchard V., Bléron L., Meyer J. (2021) Proposition d'une méthode de conception-fabrication pour l'architecture en bois. Application du procédé de Stratoconception®. In 10èmes Journées Annuelles du GDR3544 Sciences du Bois, 17-19 novembre 2021, Montpellier, pp. 101-104.

Ministère Écologie Énergie Territoires (2022) Construction et performance environnementale du bâtiment, ecologie.gouv.fr. Disponible sur https://www.ecologie.gouv.fr/construction-et-performance-environnementale-du-batiment (Consulté le 06 Novembre 2023).

Ziegler-Devin I., Chrusciel L., Brosse N. (2021) Steam explosion pretreatment of lignocellulosic biomass: a mini-review of theoretical and experimental approaches. Frontiers in Chemistry, 9, 705358.

Zimele Z., Irbe I., Grinins J., Bikovens O., Verovkins A., Bajare D. (2020) Novel mycelium-based biocomposites (Mbb) as building materials. Journal of Renewable Materials, 8(9), 1067-1076.
# Variabilité de l'aubier et de la nodosité d'épicéa commun, de sapin pectiné et de pin sylvestre

RAVOAJANAHARY Tojo¹,³,⁴, DAQUITAINE Renaud¹, URSELLA Enrico², REMOND Romain³, LEBAN Jean-Michel⁴

¹ Groupe SIAT, ² MiCROTEC, ³LERMAB Enstib-UL, ⁴BEF-INRAE
tojo.ravoajanahary@groupesiat.fr

**Mots clefs** : aubier ; duramen ; nodosité ; construction ; durabilité

L'évaluation de la qualité en bois des ressources forestières est une préoccupation commune aux gestionnaires forestiers et aux acteurs de la première transformation.

Pour les gestionnaires, les questions qui se posent portent sur les conséquences d'opérations sylvicoles, comme la densité de plantation et les scénarios d'éclaircies, sur les caractéristiques morphologiques des arbres sur pied et sur les propriétés de leur bois (Leban et al. 1991, Houiller et al. 1995, Lebanon 1995).

Les acheteurs de bois doivent évaluer la qualité des arbres sur pied sur la base des dimensions et de la forme des troncs, la longueur sans branches des troncs, la hauteur du houppier, le diamètre des branches et leur état sanitaire. Il s'agit d'estimer au mieux les volumes de bois sans nœuds, avec des nœuds noirs ou adhérents. En effet les sciages seront caractérisés notamment par leur nodosité, ce qui permet de les classer et donc de leur conférer une valeur, qui varie en fonction des usages qu'il s'agisse de la menuiserie, de la charpente ou bien de l'emballage.

La proportion de bois de cœur et d'aubier est également un indicateur important de la qualité des produits finaux notamment l'aspect visuel. En effet pour des essences comme les pins et le douglas le duramen est coloré alors qu'il ne l'est pas pour le sapin pectiné et les épicéas. Pour toutes ces essences la teneur en eau est en général plus élevée dans l'aubier que dans le duramen, ce qui impacte les modalités de séchage et les fissurations qui en résultent. La proportion de bois de cœur et d'aubier est une caractéristique difficile à quantifier sur les arbres en forêt.

L'analyse des variations de ces différents indicateurs de la qualité a fait l'objet de travaux basés sur la modélisation conjointe de la croissance des arbres et de la qualité de leur bois (Leban et al. 1995, Saint-André et al. 1997, 2000, Daquitaine 2003, Achim et al. 2006). Pour des raisons matérielles, de temps et de coûts, les modèles mis en œuvre ont été ajustés sur des mesures destructives d'un nombre limité d'arbres (entre 30 et 100), ce qui en limite la portée en termes de description de la variabilité.

Aujourd'hui, la mise en œuvre par quelques scieries de scanners tomographiques RX permet la mesure exhaustive en continu des indicateurs de qualité de tous les billons qui seront sciés (Rais et al. 2017). C'est un changement de paradigme pour l'analyse des différentes sources de variabilité des indicateurs de qualité des bois.

A la différence des travaux antérieurs basés sur des échantillons de petite taille, nous avons aujourd'hui la possibilité de constituer des jeux de données de plusieurs dizaines de milliers de billons, chacun étant caractérisé de manière exhaustive en termes de nombre, dimension et état sanitaire des nœuds, de caractéristiques géométriques, de proportion d'aubier, de poches de résines, de largeur de cerne etc.
# Variabilité de l'aubier et de la nodosité d'épicéa commun, de sapin pectiné et de pin sylvestre

RAVOAJANAHARY Tojo¹,³,⁴, DAQUITAINE Renaud¹, URSELLA Enrico², REMOND Romain³, LEBAN Jean-Michel⁴

¹ Groupe SIAT, ² MiCROTEC, ³LERMAB Enstib-UL, ⁴BEF-INRAE
tojo.ravoajanahary@groupesiat.fr

**Mots clefs** : aubier ; duramen ; nodosité ; construction ; durabilité

L'évaluation de la qualité en bois des ressources forestières est une préoccupation commune aux gestionnaires forestiers et aux acteurs de la première transformation.

Pour les gestionnaires, les questions qui se posent portent sur les conséquences d'opérations sylvicoles, comme la densité de plantation et les scénarios d'éclaircies, sur les caractéristiques morphologiques des arbres sur pied et sur les propriétés de leur bois (Leban et al. 1991, Houiller et al. 1995, Lebanon 1995).

Les acheteurs de bois doivent évaluer la qualité des arbres sur pied sur la base des dimensions et de la forme des troncs, la longueur sans branches des troncs, la hauteur du houppier, le diamètre des branches et leur état sanitaire. Il s'agit d'estimer au mieux les volumes de bois sans nœuds, avec des nœuds noirs ou adhérents. En effet les sciages seront caractérisés notamment par leur nodosité, ce qui permet de les classer et donc de leur conférer une valeur, qui varie en fonction des usages qu'il s'agisse de la menuiserie, de la charpente ou bien de l'emballage.

La proportion de bois de cœur et d'aubier est également un indicateur important de la qualité des produits finaux notamment l'aspect visuel. En effet pour des essences comme les pins et le douglas le duramen est coloré alors qu'il ne l'est pas pour le sapin pectiné et les épicéas. Pour toutes ces essences la teneur en eau est en général plus élevée dans l'aubier que dans le duramen, ce qui impacte les modalités de séchage et les fissurations qui en résultent. La proportion de bois de cœur et d'aubier est une caractéristique difficile à quantifier sur les arbres en forêt.

L'analyse des variations de ces différents indicateurs de la qualité a fait l'objet de travaux basés sur la modélisation conjointe de la croissance des arbres et de la qualité de leur bois (Leban et al. 1995, Saint-André et al. 1997, 2000, Daquitaine 2003, Achim et al. 2006). Pour des raisons matérielles, de temps et de coûts, les modèles mis en œuvre ont été ajustés sur des mesures destructives d'un nombre limité d'arbres (entre 30 et 100), ce qui en limite la portée en termes de description de la variabilité.

Aujourd'hui, la mise en œuvre par quelques scieries de scanners tomographiques RX permet la mesure exhaustive en continu des indicateurs de qualité de tous les billons qui seront sciés (Rais et al. 2017). C'est un changement de paradigme pour l'analyse des différentes sources de variabilité des indicateurs de qualité des bois.

A la différence des travaux antérieurs basés sur des échantillons de petite taille, nous avons aujourd'hui la possibilité de constituer des jeux de données de plusieurs dizaines de milliers de billons, chacun étant caractérisé de manière exhaustive en termes de nombre, dimension et état sanitaire des nœuds, de caractéristiques géométriques, de proportion d'aubier, de poches de résines, de largeur de cerne etc.
Nous avons donc mis en œuvre les procédures pour la constitution d'une base de données issue
des mesures du scanner tomographique RX réalisées pendant un mois de production.

Les principaux résultats préliminaires qui seront présentés portent sur (i) la caractérisation de
la variabilité de la proportion d'aubier et de la nodosité pour trois essences forestières
abondantes dans le Nord-Est de la France, l'épicéa commun, le sapin pectiné et le pin sylvestre
et sur (ii) la mise en relation des variations de ces indicateurs avec les dimensions de grumes et
billons.

Nous montrerons comment ces relations pourront être exploitées pour mieux sélectionner en
forêt les peuplements permettant l'obtention des qualités de sciages qui sont commandés par
les clients de la scierie.

Nous présenterons ensuite les perspectives qui découlent de ces travaux notamment en
particulier la qualité des gros bois.

Références

Achim A, Gardiner B, Lebanon JM, Daquitaine R (2006). Predicting the branching properties of Sitka spruce grown in Great Britain. New Zealand Journal of Forestry Science, 36, 246–264.

Daquitaine R (2003). Evaluation des chaînes de modèles de production ligneuse. Prédiction de la qualité des produits d'une ressource forestière sur pied en Epicéa commun (Picea abies Karst). Doctorat de l'ENGREF, option Sciences forestières et du bois.

Houllier F., Lebanon JM, Colin, F (1995) Linking growth modelling to timber quality assessment for Norway spruce. Forest Ecology and Management, 74(1–3), 91–102.
https://doi.org/10.1016/0378-1127(94)03510-4

Leban JM (1995) Estimations des propriétés des sciages d'une ressource forestière : application à l'épicéa commun (Picea abies Karst.). Revue Forestière Francaise, 48, 131–140.

Leban JM, Daquitaine R., Saint Andre L. (1996) WinEpifn - un logiciel d'évaluation de la qualité de la ressource en bois applique au douglas. Forêt-Entreprise, 11–15.

Leban JM, Houllier F, Goy B, Colin F (1991) La qualité du bois d'épicéa commun en liaison avec les conditions de croissance. Forêt-Entreprise, 13-27.

Rais A, Ursella E, Vicario E, & Giudiceandrea F (2017). The use of the first industrial X-ray CT scanner increases the lumber recovery value: case study on visually strength-graded Douglas-fir timber. Annals of Forest Science, 74(2), 1–9. https://doi.org/10.1007/s13595-017-0630-5

Saint-Andre L, Lebanon JM, Daquitaine R, & Houllier F (1997). Linking models for the tree growth and wood quality in Norway spruce *Picea abies*. Part II: Assessment of a regional resource for wood industry supply. IUFRO WP S5.01-04. Proceedings, Second Workshop: Connection between Silviculture and Wood Quality through Modelling Approaches and Simulation Software, Berg-En-Dal, Kruger National Park, South Africa, August 26-31, 1996., 229–236.

Saint-Andre L, Lebanon JM (2000). An elliptical model for tree ring shape in transverse section. Methodology and case study on Norway Spruce. Holz Als Roh-Und Werkstoff, 58, 368–374.
https://doi.org/10.1007/s001070050447

Saint-Andre L, Herve JC, & Lebanon JM. (2000). Modelling the number of rings in individual logs of Norway spruce. Scandinavian Journal of Forest Research, 15, 135–143.
Nous avons donc mis en œuvre les procédures pour la constitution d'une base de données issue
des mesures du scanner tomographique RX réalisées pendant un mois de production.

Les principaux résultats préliminaires qui seront présentés portent sur (i) la caractérisation de
la variabilité de la proportion d'aubier et de la nodosité pour trois essences forestières
abondantes dans le Nord-Est de la France, l'épicéa commun, le sapin pectiné et le pin sylvestre
et sur (ii) la mise en relation des variations de ces indicateurs avec les dimensions de grumes et
billons.

Nous montrerons comment ces relations pourront être exploitées pour mieux sélectionner en
forêt les peuplements permettant l'obtention des qualités de sciages qui sont commandés par
les clients de la scierie.

Nous présenterons ensuite les perspectives qui découlent de ces travaux notamment en
particulier la qualité des gros bois.

Références

Achim A, Gardiner B, Lebanon JM, Daquitaine R (2006). Predicting the branching properties of Sitka spruce grown in Great Britain. New Zealand Journal of Forestry Science, 36, 246–264.

Daquitaine R (2003). Evaluation des chaînes de modèles de production ligneuse. Prédiction de la qualité des produits d'une ressource forestière sur pied en Epicéa commun (Picea abies Karst). Doctorat de l'ENGREF, option Sciences forestières et du bois.

Houllier F., Lebanon JM, Colin, F (1995) Linking growth modelling to timber quality assessment for Norway spruce. Forest Ecology and Management, 74(1–3), 91–102.
https://doi.org/10.1016/0378-1127(94)03510-4

Leban JM (1995) Estimations des propriétés des sciages d'une ressource forestière : application à l'épicéa commun (Picea abies Karst.). Revue Forestière Francaise, 48, 131–140.

Leban JM, Daquitaine R., Saint Andre L. (1996) WinEpifn - un logiciel d'évaluation de la qualité de la ressource en bois applique au douglas. Forêt-Entreprise, 11–15.

Leban JM, Houllier F, Goy B, Colin F (1991) La qualité du bois d'épicéa commun en liaison avec les conditions de croissance. Forêt-Entreprise, 13-27.

Rais A, Ursella E, Vicario E, & Giudiceandrea F (2017). The use of the first industrial X-ray CT scanner increases the lumber recovery value: case study on visually strength-graded Douglas-fir timber. Annals of Forest Science, 74(2), 1–9. https://doi.org/10.1007/s13595-017-0630-5

Saint-Andre L, Lebanon JM, Daquitaine R, & Houllier F (1997). Linking models for the tree growth and wood quality in Norway spruce *Picea abies*. Part II: Assessment of a regional resource for wood industry supply. IUFRO WP S5.01-04. Proceedings, Second Workshop: Connection between Silviculture and Wood Quality through Modelling Approaches and Simulation Software, Berg-En-Dal, Kruger National Park, South Africa, August 26-31, 1996., 229–236.

Saint-Andre L, Lebanon JM (2000). An elliptical model for tree ring shape in transverse section. Methodology and case study on Norway Spruce. Holz Als Roh-Und Werkstoff, 58, 368–374.
https://doi.org/10.1007/s001070050447

Saint-Andre L, Herve JC, & Lebanon JM. (2000). Modelling the number of rings in individual logs of Norway spruce. Scandinavian Journal of Forest Research, 15, 135–143.
# Innovative particleboards made of chemically modified sugarcane bagasse. Biological durability evaluation

AHMADI Peyman¹,²,³, EFHAMISISI Davood¹, THEVENON Marie-France²,³,
ZAREA HOSSEINABADI Hamid¹, OLADI Reza¹, GERARD Jean²,³

¹Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Iran

²CIRAD, UPR BioWooEB, F-34398 Montpellier, France

³BioWooEB, Univ Montpellier, CIRAD, Montpellier, France
marie-france.thevenon@cirad.fr

**Keywords:** Bagasse waste; tannin; furfural; resin; particleboard; durability; fungus; termite

## Context and objectives

Wood is an anisotropic material, mainly consisting of cellulose, hemicellulose and lignin (Zhang et al. 2022) and as a result, wood is susceptible to dimensional changes caused by moisture in service situation, which severely limits its usage in various applications (Sargent 2019). Wood-based composites are manufactured in desirable sizes that offer increased dimensional stability and homogeneity, making them viable substitutes for solid wood in end-uses. Wood composites reduce some of the difficulties associated with water absorption and dimensional instability in wood and do not have the drawbacks of solid wood (Baileys et al. 2003). Since the implementation of the "Forest breathing plan" prohibiting wood exploitation in Iran, difficulties in supplying for particleboard production have pushed producers to investigate for alternatives (Gilanipoor et al. 2021). Meanwhile, waste sugarcane bagasse, widely available in Iran, offers a sustainable and environmentally friendly way to supply this vast need (Berndt and Hodzic 2007). Most of this lignocellulosic waste is either burned as fuel or sent to landfills (Kiatkittipong et al. 2009). Using bagasse as a raw material for particleboard is an affordable way to repurpose this resource while compensating for the panel industry's scarcity of wood. Nevertheless, the problems related to durability and disadvantages related to moisture absorption remain (Kusumah et al. 2016), especially when the composite consists of species with low inherent natural durability, such as bagasse. Therefore, in order to upgrade their performance, protection systems that will not reduce the mechanico-physical properties and will comply with gluing abilities are required (Reinprecht 2016). Furfurylation is an environmentally friendly method that has attracted much attention today, notably as a wood protection method (Lande et al. 2008). The purpose of this research was (i) to impregnate bagasse particles with suitable tannin-furfural resins (TFu), (ii) to bind modified bagasse with tannin-based adhesives to produce environmentally friendly bagasse particleboards. In the first phase, a natural resin based on tannin and furfural was synthesized under different conditions and proportions of furfural according to Ahmadi et al (2022). In the second phase, particleboards were produced from the treated bagasse particles, and their biological properties were evaluated.

## Material and methods

### Pre-treatment of tannin and furfural

Quebracho tannin (Persianchimi Company) was dissolved in a 10% w/w NaOH (Neutron Pharmaceutical Chemistry Company) solution to obtain a 20% w/w tannin solution. The tannin
# Innovative particleboards made of chemically modified sugarcane bagasse. Biological durability evaluation

AHMADI Peyman¹,²,³, EFHAMISISI Davood¹, THEVENON Marie-France²,³, ZAREA HOSSEINABADI Hamid¹, OLADI Reza¹, GERARD Jean²,³

¹Department of Wood and Paper Science and Technology, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Iran

²CIRAD, UPR BioWooEB, F-34398 Montpellier, France

³BioWooEB, Univ Montpellier, CIRAD, Montpellier, France
marie-france.thevenon@cirad.fr

**Keywords:** Bagasse waste; tannin; furfural; resin; particleboard; durability; fungus; termite

## Context and objectives

Wood is an anisotropic material, mainly consisting of cellulose, hemicellulose and lignin (Zhang et al. 2022) and as a result, wood is susceptible to dimensional changes caused by moisture in service situation, which severely limits its usage in various applications (Sargent 2019). Wood-based composites are manufactured in desirable sizes that offer increased dimensional stability and homogeneity, making them viable substitutes for solid wood in end-uses. Wood composites reduce some of the difficulties associated with water absorption and dimensional instability in wood and do not have the drawbacks of solid wood (Baileys et al. 2003). Since the implementation of the "Forest breathing plan" prohibiting wood exploitation in Iran, difficulties in supplying for particleboard production have pushed producers to investigate for alternatives (Gilanipoor et al. 2021). Meanwhile, waste sugarcane bagasse, widely available in Iran, offers a sustainable and environmentally friendly way to supply this vast need (Berndt and Hodzic 2007). Most of this lignocellulosic waste is either burned as fuel or sent to landfills (Kiatkittipong et al. 2009). Using bagasse as a raw material for particleboard is an affordable way to repurpose this resource while compensating for the panel industry's scarcity of wood. Nevertheless, the problems related to durability and disadvantages related to moisture absorption remain (Kusumah et al. 2016), especially when the composite consists of species with low inherent natural durability, such as bagasse. Therefore, in order to upgrade their performance, protection systems that will not reduce the mechanico-physical properties and will comply with gluing abilities are required (Reinprecht 2016). Furfurylation is an environmentally friendly method that has attracted much attention today, notably as a wood protection method (Lande et al. 2008). The purpose of this research was (i) to impregnate bagasse particles with suitable tannin-furfural resins (TFu), (ii) to bind modified bagasse with tannin-based adhesives to produce environmentally friendly bagasse particleboards. In the first phase, a natural resin based on tannin and furfural was synthesized under different conditions and proportions of furfural according to Ahmadi et al (2022). In the second phase, particleboards were produced from the treated bagasse particles, and their biological properties were evaluated.

## Material and methods

### Pre-treatment of tannin and furfural

Quebracho tannin (Persianchimi Company) was dissolved in a 10% w/w NaOH (Neutron Pharmaceutical Chemistry Company) solution to obtain a 20% w/w tannin solution. The tannin
solution was heated to 80°C for 30 minutes before adding 8% NaSO (Neutron Pharmaceutical Chemistry Company) (w/w based on the dry tannin weight). The solution was stirred at 80°C for 30 minutes. The pretreatment for furfural (Behran Oil Company) was done by adding 5% v/v H₂SO₄ (Neutron Pharmaceutical Chemistry Company) (at 20% v/v) to the furfural and stirring for 20 minutes at 21°C (Yi et al 2016).

### Resin synthesis

The previously obtained tannin aqueous solutions (20% w/w) were prepared under vigorous stirring to add furfural. Subsequently, 50% of furfural (based on tannin dry weight) was added to the solution. The resin pH was adjusted to 4.5 with NaOH (33% w/w) according to Ahmadi et al (2022).

### Bagasse treatment

Anhydrous sugarcane bagasse were treated using an impregnation method with various tannin/furfural resin (TFu) concentrations. Impregnation was done with 5, 10, and 15% w/w formulations of tannin/furfural resin. As a reference, 0.5 % Boric Acid (BA) (Lactan) (based on the dry weight of the resin) was added to the initial treatment solution in some treatments (Efhamisi et al 2017). Resin curing operation was carried out by heating at 120°C. Resin uptake was reported in Ahmadi et al (2022).

### Particleboard manufacturing

Tannin-Formaldehyde (TF), Tannin-Formaldehyde modified by Furfural (TFFu), Tannin Hexamine (TH) (all synthesized in the laboratory according to Tondi (2017), and Melamine-urea-formal (MUF) (Samad Manufacturing and Industrial Company) were used to bond the treated bagasse. After the curing of resin and drying of bagasse, particleboards were prepared with the dimensions of 400×400×10 mm and a target density of 0.650 g/cm³. Each adhesive type was added at 12% (based on the dry weight bagasse) in a rotary blending machine. The bagasse mixtures were hot-pressed at 160°C for MUF and 190°C for tannin-based adhesive (TF, TFFu, TH) with 40 kg/cm² pressure for an 8–12-minutes press closing time (depending on the adhesive). Three boards were produced from each treatment.

### Biological properties

Decay tests were performed strictly according to EN113-3 (2023). Bagasse particleboards samples of size 50×50×10 mm³ (L×l×Thickness) (12 replicates per modality) were exposed to Coniophora puteana for 16 weeks at 22°C, 70% Relative Humidity (RH). Solid pine (Pinus sylvestris) sapwood was used as controls: (i) 12 samples with the same dimensions as the particleboard specimens 50×50×10 mm³ (L×R×T) as size controls, (ii) 10 samples of dimensions 50×25×15 mm³ (L×R×T) as virulence controls. The mass loss (ML%) of the samples due to the fungal degradation was calculated according to:

$$WL \% = \frac{(W_1 - W_2)}{W_1} \times 100 \qquad (1)$$

where W₁ and W₂ are the anhydrous mass losses of the samples before and after fungal exposure, respectively.

Termite non-choice tests were performed strictly according to EN117 (2013). Bagasse particleboards samples of size 50×25×10 mm³ (L×l×Thickness) (6 replicates per modality) were exposed to 250 termite workers, 5 soldiers and 5 nymphs of Reticulitermes flavipes for 8 weeks at 27°C, 75% RH. Virulence controls were conducted the same way, using six untreated pine sapwood samples of dimensions 50×25×15 mm³ (L×R×T). At the end of the test, the termite survival rate was calculated and a visual rating was attributed to the samples.
solution was heated to 80°C for 30 minutes before adding 8% NaSO (Neutron Pharmaceutical Chemistry Company) (w/w based on the dry tannin weight). The solution was stirred at 80°C for 30 minutes. The pretreatment for furfural (Behran Oil Company) was done by adding 5% v/v H₂SO₄ (Neutron Pharmaceutical Chemistry Company) (at 20% v/v) to the furfural and stirring for 20 minutes at 21°C (Yi et al 2016).

### Resin synthesis

The previously obtained tannin aqueous solutions (20% w/w) were prepared under vigorous stirring to add furfural. Subsequently, 50% of furfural (based on tannin dry weight) was added to the solution. The resin pH was adjusted to 4.5 with NaOH (33% w/w) according to Ahmadi et al (2022).

### Bagasse treatment

Anhydrous sugarcane bagasse were treated using an impregnation method with various tannin/furfural resin (TFu) concentrations. Impregnation was done with 5, 10, and 15% w/w formulations of tannin/furfural resin. As a reference, 0.5 % Boric Acid (BA) (Lactan) (based on the dry weight of the resin) was added to the initial treatment solution in some treatments (Efhamisi et al 2017). Resin curing operation was carried out by heating at 120°C. Resin uptake was reported in Ahmadi et al (2022).

### Particleboard manufacturing

Tannin-Formaldehyde (TF), Tannin-Formaldehyde modified by Furfural (TFFu), Tannin Hexamine (TH) (all synthesized in the laboratory according to Tondi (2017), and Melamine-urea-formal (MUF) (Samad Manufacturing and Industrial Company) were used to bond the treated bagasse. After the curing of resin and drying of bagasse, particleboards were prepared with the dimensions of 400×400×10 mm and a target density of 0.650 g/cm³. Each adhesive type was added at 12% (based on the dry weight bagasse) in a rotary blending machine. The bagasse mixtures were hot-pressed at 160°C for MUF and 190°C for tannin-based adhesive (TF, TFFu, TH) with 40 kg/cm² pressure for an 8–12-minutes press closing time (depending on the adhesive). Three boards were produced from each treatment.

### Biological properties

Decay tests were performed strictly according to EN113-3 (2023). Bagasse particleboards samples of size 50×50×10 mm³ (L×l×Thickness) (12 replicates per modality) were exposed to Coniophora puteana for 16 weeks at 22°C, 70% Relative Humidity (RH). Solid pine (Pinus sylvestris) sapwood was used as controls: (i) 12 samples with the same dimensions as the particleboard specimens 50×50×10 mm³ (L×R×T) as size controls, (ii) 10 samples of dimensions 50×25×15 mm³ (L×R×T) as virulence controls. The mass loss (ML%) of the samples due to the fungal degradation was calculated according to:

$$WL \% = \frac{(W_1 - W_2)}{W_1} \times 100 \qquad (1)$$

where W₁ and W₂ are the anhydrous mass losses of the samples before and after fungal exposure, respectively.

Termite non-choice tests were performed strictly according to EN117 (2013). Bagasse particleboards samples of size 50×25×10 mm³ (L×l×Thickness) (6 replicates per modality) were exposed to 250 termite workers, 5 soldiers and 5 nymphs of Reticulitermes flavipes for 8 weeks at 27°C, 75% RH. Virulence controls were conducted the same way, using six untreated pine sapwood samples of dimensions 50×25×15 mm³ (L×R×T). At the end of the test, the termite survival rate was calculated and a visual rating was attributed to the samples.
Data analysis was performed by the two-way ANOVA method in SPSS software. The effect of adhesive, and the effect of resin concentration, were investigated.

## Results and discussion

### Decay resistance

The results of the decay resistance tests towards the brown rot *Coniophora puteana* are depicted in Fig. 1. The mass losses of both virulence controls and size controls (above 30%) allow to validate the test (EN113-3, 2023).

For all particleboards, whatever the adhesive used, the treatment of bagasse with TFu resin led to a reduced mass loss, compared to untreated bagasse. Particleboards treated with resin containing BA, had significantly higher resistance to fungal degradation. BA is responsible for the granted durability to the particleboards, due to its fungistatic action, and has already been reported as an additive increasing panel product biological resistance (Reinprecht et al 2018, Pizzi 2016).

However, the MUF+Tfu (15%) boards presented the lowest mass loss rates of 3.56%. After being exposed to the brown-rot fungus, the boards bonded with MUF adhesive demonstrated greater resistance than the boards bonded with tannin base adhesive. The boards bonded with MUF lost the least amount of weight in both treated and untreated conditions. It is possible that the fungus is prevented from getting into the particleboard due to the density and cohesion of the boards. The type of adhesive has an influence on the biological resistance of particleboards (Shalbafan et al. 2016). Boards, on the other hand, emit formaldehyde, which can affect biological resistance (Mohamad Amini et al. 2018).

<figure><img src="image_274.png" /><figcaption>Fig. 1. Mean values of mass loss of the particleboard exposed to the fungus</figcaption></figure>

### Termite resistance

Tab. 1 illustrates the mass losses, mortality of termites and Visual rating caused by termite attacks on the specimens. The survival rate of the termites (above 50%) and strong attack of the controls allow to validate this test.

When compared to control samples, pretreatment of bagasse particles with resin TFu at low concentrations (i.e. 5%) results in higher termite mortality, but the panels were still severely degraded (visual rating 4). However, treatment at higher resin concentrations (without BA
Data analysis was performed by the two-way ANOVA method in SPSS software. The effect of adhesive, and the effect of resin concentration, were investigated.

## Results and discussion

### Decay resistance

The results of the decay resistance tests towards the brown rot *Coniophora puteana* are depicted in Fig. 1. The mass losses of both virulence controls and size controls (above 30%) allow to validate the test (EN113-3, 2023).

For all particleboards, whatever the adhesive used, the treatment of bagasse with TFu resin led to a reduced mass loss, compared to untreated bagasse. Particleboards treated with resin containing BA, had significantly higher resistance to fungal degradation. BA is responsible for the granted durability to the particleboards, due to its fungistatic action, and has already been reported as an additive increasing panel product biological resistance (Reinprecht et al 2018, Pizzi 2016).

However, the MUF+Tfu (15%) boards presented the lowest mass loss rates of 3.56%. After being exposed to the brown-rot fungus, the boards bonded with MUF adhesive demonstrated greater resistance than the boards bonded with tannin base adhesive. The boards bonded with MUF lost the least amount of weight in both treated and untreated conditions. It is possible that the fungus is prevented from getting into the particleboard due to the density and cohesion of the boards. The type of adhesive has an influence on the biological resistance of particleboards (Shalbafan et al. 2016). Boards, on the other hand, emit formaldehyde, which can affect biological resistance (Mohamad Amini et al. 2018).

<figure><img src="image_272.png" /><figcaption>Fig. 1. Mean values of mass loss of the particleboard exposed to the fungus</figcaption></figure>

### Termite resistance

Tab. 1 illustrates the mass losses, mortality of termites and Visual rating caused by termite attacks on the specimens. The survival rate of the termites (above 50%) and strong attack of the controls allow to validate this test.

When compared to control samples, pretreatment of bagasse particles with resin TFu at low concentrations (i.e. 5%) results in higher termite mortality, but the panels were still severely degraded (visual rating 4). However, treatment at higher resin concentrations (without BA
addition) has no significant effect. This could be because these boards have more thickness swelling (Ahmadi et al 2022) than the control samples, allowing the termite to enter the particleboard when under moist conditions (such as in the termite culture flasks, 75% RH). MUF-bonded boards have a higher termite mortality rate than tannin base adhesive-bonded boards, when without BA. Boards treated with resin and BA had higher termite mortality than control samples. Boric acid is not a repellent product, but its presence allows to bring efficient protection to the particleboards (Thevenon et al 2009). BA considerably increased the durability towards panels in our study.

<table><caption>Tab. 1. Termite Resistance of TFuR-impregnated particleboard bonded by TF, TFfu, TH, and MUF adhesives</caption><thead><tr><th colspan="2">Description of treatments</th><th>Termite resistance</th><th colspan="3">Sample distribution for the visual rating classes (%)</th></tr><tr><th>Adhesive Type</th><th>Impregnation Resin (%)</th><th>BA (0.5 %)</th><th>Survival rate (%)</th><th>Visual Rating (*)</th><th>0</th><th>1</th><th>4</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="4">TF</td><td>-</td><td>-</td><td>51</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>Tfu (5%)</td><td>-</td><td>25</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>Tfu (10%)</td><td>+</td><td>0</td><td>0-1</td><td>70</td><td>30</td><td></td></tr><tr><td>Tfu (15%)</td><td>+</td><td>0</td><td>0-1</td><td>80</td><td>20</td><td></td></tr><tr><td rowspan="4">TFFu</td><td>-</td><td>-</td><td>23</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>Tfu (5%)</td><td>-</td><td>21</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>TFu (10%)</td><td>+</td><td>0</td><td>0-1</td><td>75</td><td>25</td><td></td></tr><tr><td>TFu (15%)</td><td>+</td><td>0</td><td>0-1</td><td>70</td><td>30</td><td></td></tr><tr><td rowspan="4">TH</td><td>-</td><td>+</td><td>0</td><td>0</td><td>100</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TFu (5%)</td><td>+</td><td>7</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>TFu (10%)</td><td>-</td><td>29</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>TFu (15%)</td><td>-</td><td>26</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td rowspan="4">MUF</td><td>-</td><td>-</td><td>15</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>-</td><td>+</td><td>0</td><td>0-1</td><td>60</td><td>40</td><td></td></tr><tr><td>TFu (5%)</td><td>+</td><td>0</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>TFu (10%)</td><td>-</td><td>5</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td></td><td>TFu (15%)</td><td>-</td><td>5</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td colspan="2">Virulence control</td><td></td><td>56</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr></tbody></table>

## Conclusion and perspectives

Our study indicates that the impregnation of bagasse particles with resins improves the biological resistance of the particleboards. The mix with boric acid allows to increase significantly the particle board resistance. This work shows that treating bagasse with tannin-furfural resin to produce particleboard improves their biological characteristics as well as their physico-mechanical properties (Ahmadi et al. 2022). Therefore, particleboards made with bagasse treated with furfural tannin resin and furfural tannin resin with boric acid are suggested potential candidate to overcome the shortage of wooden raw materials for composite production in Iran.

<footnote>(*) Rating of wood according to EN 117 (2013)</footnote>

<footnote n="0">0 = No attack, No destruction</footnote>

<footnote n="1">1 = Attempt to attack/ Surface erosion in part of the surface/ The destruction depth of 0.5 mm of fog should not exceed 30% of the surface.</footnote>

<footnote n="4">4 = Strong attack/ 1- and 3-mm erosion covering 1/10 of the surface/ The depth of destruction is about 3 mm in the form of holes in the wood mass</footnote>
addition) has no significant effect. This could be because these boards have more thickness swelling (Ahmadi et al 2022) than the control samples, allowing the termite to enter the particleboard when under moist conditions (such as in the termite culture flasks, 75% RH). MUF-bonded boards have a higher termite mortality rate than tannin base adhesive-bonded boards, when without BA. Boards treated with resin and BA had higher termite mortality than control samples. Boric acid is not a repellent product, but its presence allows to bring efficient protection to the particleboards (Thevenon et al 2009). BA considerably increased the durability towards panels in our study.

<table><caption>Tab. 1. Termite Resistance of TFuR-impregnated particleboard bonded by TF, TFfu, TH, and MUF adhesives</caption><thead><tr><th colspan="2">Description of treatments</th><th>Termite resistance</th><th colspan="3">Sample distribution for the visual rating classes (%)</th></tr><tr><th>Adhesive Type</th><th>Impregnation Resin (%)</th><th>BA (0.5 %)</th><th>Survival rate (%)</th><th>Visual Rating (*)</th><th>0</th><th>1</th><th>4</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="4">TF</td><td>-</td><td>-</td><td>51</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>Tfu (5%)</td><td>-</td><td>25</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>Tfu (10%)</td><td>+</td><td>0</td><td>0-1</td><td>70</td><td>30</td><td></td></tr><tr><td>Tfu (15%)</td><td>+</td><td>0</td><td>0-1</td><td>80</td><td>20</td><td></td></tr><tr><td rowspan="4">TFFu</td><td>-</td><td>-</td><td>23</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>Tfu (5%)</td><td>-</td><td>21</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>TFu (10%)</td><td>+</td><td>0</td><td>0-1</td><td>75</td><td>25</td><td></td></tr><tr><td>TFu (15%)</td><td>+</td><td>0</td><td>0-1</td><td>70</td><td>30</td><td></td></tr><tr><td rowspan="4">TH</td><td>-</td><td>+</td><td>0</td><td>0</td><td>100</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TFu (5%)</td><td>+</td><td>7</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>TFu (10%)</td><td>-</td><td>29</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>TFu (15%)</td><td>-</td><td>26</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td rowspan="4">MUF</td><td>-</td><td>-</td><td>15</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>-</td><td>+</td><td>0</td><td>0-1</td><td>60</td><td>40</td><td></td></tr><tr><td>TFu (5%)</td><td>+</td><td>0</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td>TFu (10%)</td><td>-</td><td>5</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td></td><td>TFu (15%)</td><td>-</td><td>5</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr><tr><td colspan="2">Virulence control</td><td></td><td>56</td><td>4</td><td></td><td></td><td>100</td></tr></tbody></table>

## Conclusion and perspectives

Our study indicates that the impregnation of bagasse particles with resins improves the biological resistance of the particleboards. The mix with boric acid allows to increase significantly the particle board resistance. This work shows that treating bagasse with tannin-furfural resin to produce particleboard improves their biological characteristics as well as their physico-mechanical properties (Ahmadi et al. 2022). Therefore, particleboards made with bagasse treated with furfural tannin resin and furfural tannin resin with boric acid are suggested potential candidate to overcome the shortage of wooden raw materials for composite production in Iran.

<footnote>(*) Rating of wood according to EN 117 (2013)</footnote>

<footnote n="0">0 = No attack, No destruction</footnote>

<footnote n="1">1 = Attempt to attack/ Surface erosion in part of the surface/ The destruction depth of 0.5 mm of fog should not exceed 30% of the surface.</footnote>

<footnote n="4">4 = Strong attack/ 1- and 3-mm erosion covering 1/10 of the surface/ The depth of destruction is about 3 mm in the form of holes in the wood mass</footnote>
## Acknowledgments

This project was supported by The International Center for Scientific Studies & Collaboration (CISSC, Tehran, Iran) and Campus France (Paris, France) through a Gundishapur project (N°1584/N°45227SG).

## References

* American Society for Testing and Materials – ASTM (2005) D-2017: standard method of accelerated laboratory test of natural decay resistance of wood. West Conshohocken: ASTM.

* Ahmadi P., Efhamisi D., Thevenon M.F., Zarea Hossainabadi H., Oladi R., Gerard J. (2022) The properties of natural tannin-furfural resin to be used for Poplar wood modification, Journal of Wood and Forest Science and Technology, 29(2), 1-20.

* Baileys J.K., Marks B.M., Ross A.S., Crawford D.M., Krzysik A.M., Muehl J.H., Youngquist J.A. (2003) Providing moisture and fungal protection to wood-based composites. Forest Products Journal, 53(1), 76-81.

* Berndt C.C., Hodzic A. (2007) Bagasse Fibre for sustainable manufacturing. Journal of Biobased Materials and Bioenergy, 1(3), 289-300.

* Efhamisi D., Thevenon M.F., Hamzeh Y., Pizzi A., Karimi A., Pourtahmasi K. (2017) Tannin-boron complex as a preservative for 3-ply beech plywoods designed for humid conditions. Holzforschung, 71(3), 249-258.

* EN113-3 (2023) Durability of wood and wood-based products. Test method against wood destroying basidiomycetes. Part 3: Assessment of durability of wood-based panels. European Committee for Standardization, Brussels, Belgium.

* EN117 (2013) Wood preservatives - Determination of toxic values against Reticulitermes species (European termites) (Laboratory method). European Committee for Standardization, Brussels, Belgium.

* Gilanipoor N., Najafi A., Spinelli R., Naghdi R. (2021) The exploitation of tree pruning residues and their optimal allocation in the particleboard industry, Forest Research and Development, 7(3), 343-358.

* Kiatkittipong W., Wongsuchoto P., Pavasant, P. (2009) Life cycle assessment of bagasse waste management options. Waste Management, 29(5), 1628-1633.

* Kusumah S.S., Umemura K., Yoshioka K., Miyafuji H., Kanayama K. (2016) Utilization of sweet sorghum bagasse and citric acid for manufacturing of particleboard I: Effects of pre-drying treatment and citric acid content on the board properties. Industrial Crops and Products, 84, 34-42.

* Lande S., Eikenes M., Westin M., Schneider M. H. (2008) Furfurylation of wood: Chemistry, properties, and commercialization, 21(3), 337-355.

* Reinprecht L. (2016) Wood deterioration, protection, and maintenance. John Wiley & Sons.

* Sandberg D., Kutnar A., Karlsson O., Jones D. (2021) Wood modification technologies: principles, sustainability, and the need for innovation (1st ed.). CRC Press.

* Sargent R. (2019) Evaluating dimensional stability in solid wood: a review of current practice. Journal of Wood Science, 65(1), 1-11.
## Acknowledgments

This project was supported by The International Center for Scientific Studies & Collaboration (CISSC, Tehran, Iran) and Campus France (Paris, France) through a Gundishapur project (N°1584/N°45227SG).

## References

American Society for Testing and Materials – ASTM (2005) D-2017: standard method of accelerated laboratory test of natural decay resistance of wood. West Conshohocken: ASTM.

Ahmadi P., Efhamisi D., Thevenon M.F., Zarea Hossainabadi H., Oladi R., Gerard J. (2022) The properties of natural tannin-furfural resin to be used for Poplar wood modification, Journal of Wood and Forest Science and Technology, 29(2), 1-20.

Baileys J.K., Marks B.M., Ross A.S., Crawford D.M., Krzysik A.M., Muehl J.H., Youngquist J.A. (2003) Providing moisture and fungal protection to wood-based composites. Forest Products Journal, 53(1), 76-81.

Berndt C.C., Hodzic A. (2007) Bagasse Fibre for sustainable manufacturing. Journal of Biobased Materials and Bioenergy, 1(3), 289-300.

Efhamisi D., Thevenon M.F., Hamzeh Y., Pizzi A., Karimi A., Pourtahmasi K. (2017) Tannin-boron complex as a preservative for 3-ply beech plywoods designed for humid conditions. Holzforschung, 71(3), 249-258.

EN113-3 (2023) Durability of wood and wood-based products. Test method against wood destroying basidiomycetes. Part 3: Assessment of durability of wood-based panels. European Committee for Standardization, Brussels, Belgium.

EN117 (2013) Wood preservatives - Determination of toxic values against Reticulitermes species (European termites) (Laboratory method). European Committee for Standardization, Brussels, Belgium.

Gilanipoor N., Najafi A., Spinelli R., Naghdi R. (2021) The exploitation of tree pruning residues and their optimal allocation in the particleboard industry, Forest Research and Development, 7(3), 343-358.

Kiatkittipong W., Wongsuchoto P., Pavasant, P. (2009) Life cycle assessment of bagasse waste management options. Waste Management, 29(5), 1628-1633.

Kusumah S.S., Umemura K., Yoshioka K., Miyafuji H., Kanayama K. (2016) Utilization of sweet sorghum bagasse and citric acid for manufacturing of particleboard I: Effects of pre-drying treatment and citric acid content on the board properties. Industrial Crops and Products, 84, 34-42.

Lande S., Eikenes M., Westin M., Schneider M. H. (2008) Furfurylation of wood: Chemistry, properties, and commercialization, 21(3), 337-355.

Reinprecht L. (2016) Wood deterioration, protection, and maintenance. John Wiley & Sons.

Sandberg D., Kutnar A., Karlsson O., Jones D. (2021) Wood modification technologies: principles, sustainability, and the need for innovation (1st ed.). CRC Press.

Sargent R. (2019) Evaluating dimensional stability in solid wood: a review of current practice. Journal of Wood Science, 65(1), 1-11.
Thevenon M.F., Tondi G., Pizzi A. (2009) High performance tannin resin-boron wood preservatives for outdoor end-uses. European Journal of Wood and Wood Products, 67(1), 89-93.

Tondi G. (2017) Tannin-based copolymer resins: Synthesis and characterization by solid state $^{13}$C NMR and FT-IR spectroscopy. Polymers, 9(6), 3-22.

Yi Z., Wang W., Zhang W., Li J. (2016) Preparation of tannin–formaldehyde–furfural resin with pretreatment of depolymerization of condensed tannin and ring-opening of furfural, Journal of adhesion science and Technology, 30(9), 947-959.

Zhang X., Li L., Xu F. (2022). Chemical characteristics of wood cell wall with an emphasis on ultrastructure: A mini-review. Forests, 13(3), 439.
Thevenon M.F., Tondi G., Pizzi A. (2009) High performance tannin resin-boron wood preservatives for outdoor end-uses. European Journal of Wood and Wood Products, 67(1), 89-93.

Tondi G. (2017) Tannin-based copolymer resins: Synthesis and characterization by solid state $^{13}$C NMR and FT-IR spectroscopy. Polymers, 9(6), 3-22.

Yi Z., Wang W., Zhang W., Li J. (2016) Preparation of tannin–formaldehyde–furfural resin with pretreatment of depolymerization of condensed tannin and ring-opening of furfural, Journal of adhesion science and Technology, 30(9), 947-959.

Zhang X., Li L., Xu F. (2022). Chemical characteristics of wood cell wall with an emphasis on ultrastructure: A mini-review. Forests, 13(3), 439.
# Construction bas carbone : identification des éléments fortement carbonés pour faire émerger des principes de conception favorable – Application pratique à un bâtiment de santé

LANATA Francesca, BOUDAUD Clément, BELLONCLE Christophe, MICHAUD Franck

ESB, LIMBHA, Nantes, France
francesca.lanata@esb-campus.fr

**Mots clefs** : carbone intrinsèque ; bâtiment de santé ; coût économique ; allotissement

## Contexte et objectifs

De tous les indicateurs à envisager pour évaluer les impacts environnementaux, celui du carbone a aujourd'hui pris une place importante, et le terme bas carbone est actuellement clairement en vogue. Concentrer la conception et réalisation des bâtiments sur la limitation du carbone (donc monocritère) est à la fois nécessaire, mais insuffisant pour répondre à l'ampleur des enjeux des limites planétaires, dont le climat n'est qu'une composante.

La prise en compte du carbone est une tâche supplémentaire dans le processus de conception et réalisation d'un projet, elle se heurte donc à différents freins. Un sondage auprès des professionnels du secteur met en avant la multiplicité des freins, plus particulièrement l'accent sur le manque de compétences et les coûts perçus par ces temps d'études supplémentaires<fnref n="4" />.

Par ailleurs, de nombreux efforts ont été réalisés pour réduire la consommation énergétique des bâtiments et baisser la quantité d'émissions du carbone dit opérationnel. Toutefois, le carbone intrinsèque (embodied carbon en anglais) joue un rôle significatif et présente un impact immédiat sur le coût carbone. L'Analyse de Cycle de Vie (ACV), ou des dérivés de cette méthode normalisée, permet une mesure de l'impact carbone. On notera que l'approche carbone est un focus monocritère alors que l'approche ACV considère bien d'autres critères d'impact. En France, la Règlementation Environnementale 2020 (RE2020) prévoit des seuils carbone à atteindre progressivement : le poids en équivalent carbone du bâtiment sur l'ensemble de sa durée de vie, les indicateurs IC construction et IC énergie (en kgCO₂eq/m²), évolueront respectivement de 740 à 480 de 2022 à 2031 et de 560 à 260 de 2022 à 2026.

Une première étude de De Wolf et al (2017), établie sur l'analyse de 200 bâtiments récents de différents types, montre une gamme de valeurs moyennes pour le carbone intrinsèque se situant entre 150 et 600 kgCO₂eq/m² (pour des bâtiments contenants entre 200 et 1800 kg de matériaux par m²). Dans un second travail, une analyse plus large permet d'observer à la fois l'impact de la structure et du bâtiment complet sur le CO₂ intrinsèque, résumé ainsi :

- Il existe une variabilité importante en fonction des études quant à l'impact de la structure porteuse sur la quantité observée ;

- Les structures bois présentent à la fois la plus faible quantité et la plus faible variabilité ;

- La partie structure porteuse du bâtiment n'est pas majoritaire dans le total lorsque l'on observe un bâtiment complet.

<footnote n="4">⁴London Energy Transformation Initiative et LETI, « Climate Emergency Design GuideHow new buildings can meet UK climate change targets ».</footnote>
# Construction bas carbone : identification des éléments fortement carbonés pour faire émerger des principes de conception favorable – Application pratique à un bâtiment de santé

LANATA Francesca, BOUDAUD Clément, BELLONCLE Christophe, MICHAUD Franck

ESB, LIMBHA, Nantes, France

francesca.lanata@esb-campus.fr

**Mots clefs** : carbone intrinsèque ; bâtiment de santé ; coût économique ; allotissement

## Contexte et objectifs

De tous les indicateurs à envisager pour évaluer les impacts environnementaux, celui du carbone a aujourd'hui pris une place importante, et le terme bas carbone est actuellement clairement en vogue. Concentrer la conception et réalisation des bâtiments sur la limitation du carbone (donc monocritère) est à la fois nécessaire, mais insuffisant pour répondre à l'ampleur des enjeux des limites planétaires, dont le climat n'est qu'une composante.

La prise en compte du carbone est une tâche supplémentaire dans le processus de conception et réalisation d'un projet, elle se heurte donc à différents freins. Un sondage auprès des professionnels du secteur met en avant la multiplicité des freins, plus particulièrement l'accent sur le manque de compétences et les coûts perçus par ces temps d'études supplémentaires<fnref n="4" />.

Par ailleurs, de nombreux efforts ont été réalisés pour réduire la consommation énergétique des bâtiments et baisser la quantité d'émissions du carbone dit opérationnel. Toutefois, le carbone intrinsèque (embodied carbon en anglais) joue un rôle significatif et présente un impact immédiat sur le coût carbone. L'Analyse de Cycle de Vie (ACV), ou des dérivés de cette méthode normalisée, permet une mesure de l'impact carbone. On notera que l'approche carbone est un focus monocritère alors que l'approche ACV considère bien d'autres critères d'impact. En France, la Règlementation Environnementale 2020 (RE2020) prévoit des seuils carbone à atteindre progressivement : le poids en équivalent carbone du bâtiment sur l'ensemble de sa durée de vie, les indicateurs IC construction et IC énergie (en kgCO₂eq/m²), évolueront respectivement de 740 à 480 de 2022 à 2031 et de 560 à 260 de 2022 à 2026.

Une première étude de De Wolf et al (2017), établie sur l'analyse de 200 bâtiments récents de différents types, montre une gamme de valeurs moyennes pour le carbone intrinsèque se situant entre 150 et 600 kgCO₂eq/m² (pour des bâtiments contenants entre 200 et 1800 kg de matériaux par m²). Dans un second travail, une analyse plus large permet d'observer à la fois l'impact de la structure et du bâtiment complet sur le CO₂ intrinsèque, résumé ainsi :

- Il existe une variabilité importante en fonction des études quant à l'impact de la structure porteuse sur la quantité observée ;

- Les structures bois présentent à la fois la plus faible quantité et la plus faible variabilité ;

- La partie structure porteuse du bâtiment n'est pas majoritaire dans le total lorsque l'on observe un bâtiment complet.

<footnote n="4">⁴London Energy Transformation Initiative et LETI, « Climate Emergency Design GuideHow new buildings can meet UK climate change targets ».</footnote>
Fort de l'ensemble de ces axes de réflexion et de travail engagés, le Groupe KORIAN et l'ESB sont associés pour lancer un projet de recherche portant sur deux thèmes : un axe « Santé & Bien-Être » et un axe « Bâtiment bas carbone », objet de cet article, afin d'identifier les leviers permettant d'avancer sur la valorisation du bois dans les immeubles de santé.

La construction d'établissements de santé a un impact significatif sur l'environnement notamment en termes d'utilisation de matériaux et de consommation d'énergie. Par conséquent, la construction durable de tels bâtiments impose l'utilisation de matériaux respectueux de l'environnement pouvant être recyclés et ayant une faible énergie intrinsèque et un faible impact sur l'environnement (Kumari et Kumar 2020). Ces bâtiments exigent également une conception en lien avec le particularisme de ses usagers. Des recherches ont montré que l'environnement intérieur pouvait réduire le niveau de stress, qui est particulièrement élevé chez les occupants des bâtiments médicalisés. Le bois, utilisé pour les constructions écologiques, constitue un élément important de la biophilie (Zhang et al 2016). Par conséquent, l'utilisation du bois dans la construction, concomitante à une conception spécifique, peut contribuer à réduire le stress des occupants et à améliorer les indicateurs de soutenabilité des bâtiments médicalisés (Katradyova et al 2019, Lipovac et Burnard 2020).

## Matériau et méthode

La littérature définit, indépendamment du type d'usage du bâtiment collectif, l'existence de carbone « hotspots » qui représenteraient 80% du carbone intrinsèque : fondations, structure des murs, toitures. Les services sont souvent omis alors qu'ils représentent une part non négligeable du carbone associé au cycle de vie du bâtiment. Une approche Pareto liant hotspots carbone et coûts associés, et prenant en considération structure porteuse, murs extérieurs et services permet de considérer plus de 70% des coûts économiques.

Les coûts carbone opérationnel et intrinsèque évoluent de façon antagonique. Les efforts des dernières décennies sur l'isolation thermique conduisent à une réduction du coût carbone opérationnel, mais généralement à une augmentation "instantanée et effective" du coût carbone intrinsèque, donc des émissions dès le début du cycle de vie du bâtiment.

La méthode de recherche de bonnes pratiques pour la conception de bâtiments bas carbone est présentée Fig. 1. La méthode proposée consiste à s'adosser à la littérature pour l'appliquer à l'évaluation de bâtiments réels, puis à modéliser les bâtiments réels pour valider et affiner l'évaluation. Ensuite, l'évaluation de variantes doit permettre de valider des préconisations.

Plusieurs maisons de retraite médicalisées ont été identifiées pour observer la relation entre coût économique et coût carbone. La répartition des espaces et le nombre de niveaux sont comparables (Tab. 1). Le principe constructif le plus utilisé est le béton, avec un remplissage en briques sur deux bâtiments. Les revêtements de toiture et de façades sont multiples, ainsi que les systèmes de chauffage. Les menuiseries extérieures sont pour la plupart en aluminium. L'isolation est principalement réalisée en laine minérale.

On trouve dans la littérature (De Wolf 2017, De Wolf 2018), une synthèse d'études de cas sur 36 bâtiments (collectif de tous types), qui chiffre une moyenne du coût économique (€/m²) et du coût environnemental (kgCO₂eq/m²) pour différents lots. Cela permet d'identifier les lots les plus importants en termes de coût et d'établir les différents ratios économique et carbone entre les différents lots de construction. Des valeurs moyennes de CO₂ intrinsèque en équivalent kg/m² ont été évaluées. Une analyse Pareto montre l'importance de certains lots par rapport à d'autres, comme le lot Services et le lot Superstructure. Le premier comprend les éléments d'installations sanitaires et d'eau, systèmes CVC, installations électriques... Le second comprend les éléments de murs ou poteaux porteurs, les planchers et les charpentes/toitures.
Fort de l'ensemble de ces axes de réflexion et de travail engagés, le Groupe KORIAN et l'ESB sont associés pour lancer un projet de recherche portant sur deux thèmes : un axe « Santé & Bien-Être » et un axe « Bâtiment bas carbone », objet de cet article, afin d'identifier les leviers permettant d'avancer sur la valorisation du bois dans les immeubles de santé.

La construction d'établissements de santé a un impact significatif sur l'environnement notamment en termes d'utilisation de matériaux et de consommation d'énergie. Par conséquent, la construction durable de tels bâtiments impose l'utilisation de matériaux respectueux de l'environnement pouvant être recyclés et ayant une faible énergie intrinsèque et un faible impact sur l'environnement (Kumari et Kumar 2020). Ces bâtiments exigent également une conception en lien avec le particularisme de ses usagers. Des recherches ont montré que l'environnement intérieur pouvait réduire le niveau de stress, qui est particulièrement élevé chez les occupants des bâtiments médicalisés. Le bois, utilisé pour les constructions écologiques, constitue un élément important de la biophilie (Zhang et al 2016). Par conséquent, l'utilisation du bois dans la construction, concomitante à une conception spécifique, peut contribuer à réduire le stress des occupants et à améliorer les indicateurs de soutenabilité des bâtiments médicalisés (Katradyova et al 2019, Lipovac et Burnard 2020).

## Matériau et méthode

La littérature définit, indépendamment du type d'usage du bâtiment collectif, l'existence de carbone « hotspots » qui représenteraient 80% du carbone intrinsèque : fondations, structure des murs, toitures. Les services sont souvent omis alors qu'ils représentent une part non négligeable du carbone associé au cycle de vie du bâtiment. Une approche Pareto liant hotspots carbone et coûts associés, et prenant en considération structure porteuse, murs extérieurs et services permet de considérer plus de 70% des coûts économiques.

Les coûts carbone opérationnel et intrinsèque évoluent de façon antagonique. Les efforts des dernières décennies sur l'isolation thermique conduisent à une réduction du coût carbone opérationnel, mais généralement à une augmentation "instantanée et effective" du coût carbone intrinsèque, donc des émissions dès le début du cycle de vie du bâtiment.

La méthode de recherche de bonnes pratiques pour la conception de bâtiments bas carbone est présentée Fig. 1. La méthode proposée consiste à s'adosser à la littérature pour l'appliquer à l'évaluation de bâtiments réels, puis à modéliser les bâtiments réels pour valider et affiner l'évaluation. Ensuite, l'évaluation de variantes doit permettre de valider des préconisations.

Plusieurs maisons de retraite médicalisées ont été identifiées pour observer la relation entre coût économique et coût carbone. La répartition des espaces et le nombre de niveaux sont comparables (Tab. 1). Le principe constructif le plus utilisé est le béton, avec un remplissage en briques sur deux bâtiments. Les revêtements de toiture et de façades sont multiples, ainsi que les systèmes de chauffage. Les menuiseries extérieures sont pour la plupart en aluminium. L'isolation est principalement réalisée en laine minérale.

On trouve dans la littérature (De Wolf 2017, De Wolf 2018), une synthèse d'études de cas sur 36 bâtiments (collectif de tous types), qui chiffre une moyenne du coût économique (€/m²) et du coût environnemental (kgCO₂eq/m²) pour différents lots. Cela permet d'identifier les lots les plus importants en termes de coût et d'établir les différents ratios économique et carbone entre les différents lots de construction. Des valeurs moyennes de CO₂ intrinsèque en équivalent kg/m² ont été évaluées. Une analyse Pareto montre l'importance de certains lots par rapport à d'autres, comme le lot Services et le lot Superstructure. Le premier comprend les éléments d'installations sanitaires et d'eau, systèmes CVC, installations électriques... Le second comprend les éléments de murs ou poteaux porteurs, les planchers et les charpentes/toitures.
<figure><img src="image_275.png" /><figcaption>Fig. 1 : Methodologie globale d'analyse de la performance carbone potentiel de bâtiment type</figcaption></figure>

<table><caption>Tab. 1 : Informations générales sur les bâtiments sélectionnés pour l'étude approfondie</caption><thead><tr><td>Bâtiment</td><td>Elévation</td><td>Surface totale (m²)</td><td>Surface utile (m²)</td><td>Lits</td></tr></thead><tbody><tr><td>B1</td><td>Sous-sol, RdC + 5 étages</td><td>5367</td><td>3584</td><td>91</td></tr><tr><td>B2</td><td>RdC + 2 étages</td><td>4609</td><td>3357</td><td>82</td></tr><tr><td>B3</td><td>Sous-sol, RdC + 3 étages</td><td>8138</td><td>4886</td><td>102</td></tr></tbody></table>

## Carbone intrinsèque des bâtiments : méthodologie rapide d'évaluation par les coûts

Grace aux informations sur les coûts économiques des bâtiments médicalisés de référence, cette méthode permet de remonter au coût carbone. Méthodologiquement, les classes établies par la Royal Institution of Chartered Surveyors ont été préférées aux lots généralement utilisés en France. Ces « New Rules of Measurements » (NRM<fnref n="5" />) définissent jusqu'à 4 niveaux de sous classes, permettant une répartition fine des composants.

Une estimation des ratios pour les bâtiments sélectionnés a été réalisée (données économiques fournies par l'entreprise) en se focalisant sur les lots à priori les plus émetteurs en kgCO₂eq/m², puis en utilisant l'ensemble des données collectées sur les devis et les documents d'analyses économiques. Parfois, faute d'informations, certains coûts sont estimés ou approximés.

## Résultats et discussions

L'analyse comparée sur les bâtiments d'étude montre une adéquation entre le coût des différents lots et les ratios déterminés. Les tendances se dégageant sont en accord avec les données de la littérature (De Wolf 2017, De Wolf 2018). En effet, la répartition économique globale sur les lots représentant environ 70% du carbone (structure, fondations, murs et services) est bonne, avec un écart moyen de l'ordre de 5 à 8%. Les résultats détaillés des allotissements sont

<footnote n="5">⁵ Royal Institution of Chartered Surveyors (RICS). «RICS GUIDANCE NOTE: New rules of measurement». (2021)</footnote>
<figure><img src="image_273.png" /><figcaption>Fig. 1 : Methodologie globale d'analyse de la performance carbone potentiel de bâtiment type</figcaption></figure>

<table><caption>Tab. 1 : Informations générales sur les bâtiments sélectionnés pour l'étude approfondie</caption><thead><tr><td>Bâtiment</td><td>Elévation</td><td>Surface totale (m²)</td><td>Surface utile (m²)</td><td>Lits</td></tr></thead><tbody><tr><td>B1</td><td>Sous-sol, RdC + 5 étages</td><td>5367</td><td>3584</td><td>91</td></tr><tr><td>B2</td><td>RdC + 2 étages</td><td>4609</td><td>3357</td><td>82</td></tr><tr><td>B3</td><td>Sous-sol, RdC + 3 étages</td><td>8138</td><td>4886</td><td>102</td></tr></tbody></table>

## Carbone intrinsèque des bâtiments : méthodologie rapide d'évaluation par les coûts

Grace aux informations sur les coûts économiques des bâtiments médicalisés de référence, cette méthode permet de remonter au coût carbone. Méthodologiquement, les classes établies par la Royal Institution of Chartered Surveyors ont été préférées aux lots généralement utilisés en France. Ces « New Rules of Measurements » (NRM<fnref n="5" />) définissent jusqu'à 4 niveaux de sous classes, permettant une répartition fine des composants.

Une estimation des ratios pour les bâtiments sélectionnés a été réalisée (données économiques fournies par l'entreprise) en se focalisant sur les lots à priori les plus émetteurs en kgCO₂eq/m², puis en utilisant l'ensemble des données collectées sur les devis et les documents d'analyses économiques. Parfois, faute d'informations, certains coûts sont estimés ou approximés.

## Résultats et discussions

L'analyse comparée sur les bâtiments d'étude montre une adéquation entre le coût des différents lots et les ratios déterminés. Les tendances se dégageant sont en accord avec les données de la littérature (De Wolf 2017, De Wolf 2018). En effet, la répartition économique globale sur les lots représentant environ 70% du carbone (structure, fondations, murs et services) est bonne, avec un écart moyen de l'ordre de 5 à 8%. Les résultats détaillés des allotissements sont

<footnote n="5">⁵ Royal Institution of Chartered Surveyors (RICS). «RICS GUIDANCE NOTE: New rules of measurement». (2021)</footnote>
présentés par le Tab. 2 (pourcentage de chaque lot par rapport au coût total, lots classés par ordre décroissant d'importance). Le lot Fondations, qui représente à lui seul 24% du carbone, est cependant très variable (de 9 à 16% des couts) en fonction du bâtiment. Cette variabilité s'explique par la présence de sous-sols pour les bâtiments B1 et B3, ce qui n'est pas le cas du B2. Si les éléments Structure et Toiture correspondent avec un écart moyen de l'ordre de 10%, les sous-lots Etages et Murs extérieurs s'écartent anormalement des données de la littérature.

<table><caption>Tab. 2 : Analyse comparée des coûts carbone par allostissement sur les bâtiments B1 à B3 (versus données issues de la littérature) – Hiérarchisation décroissante par le coût économique moyen</caption><thead><tr><th>Code NRM</th><th>Allotissement</th><th>B1 (%)</th><th>B2 (%)</th><th>B3 (%)</th><th>Coût moyen (%)</th><th>Coût moyen Litt. (%)</th><th>Ecart</th><th>Coût carbone Litt. (%)</th></tr></thead><tbody><tr><td>5</td><td>Services</td><td>28,2</td><td>33,6</td><td>31,2</td><td>31,0</td><td>32,7</td><td>5%</td><td>21,3</td></tr><tr><td>2E</td><td>Murs ext.</td><td>7,3</td><td>4,3</td><td>6,5</td><td>6,0</td><td>12,4</td><td>51%</td><td>8,8</td></tr><tr><td>2A</td><td>Structure</td><td>9,5</td><td>10,1</td><td>7,0</td><td>8,9</td><td>8,0</td><td>-11%</td><td>14,7</td></tr><tr><td>2F</td><td>Menuiserie ext.</td><td>4,8</td><td>7,2</td><td>6,2</td><td>6,1</td><td>7,3</td><td>17%</td><td>2,4</td></tr><tr><td>2C</td><td>Toiture</td><td>5,7</td><td>9,6</td><td>6,1</td><td>7,1</td><td>7,1</td><td>0%</td><td>6,3</td></tr><tr><td>1</td><td>Fondation</td><td>16,4</td><td>9,2</td><td>11,8</td><td>12,5</td><td>7,0</td><td>-78%</td><td>23,6</td></tr><tr><td>3B</td><td>Sols</td><td>3,2</td><td>3,8</td><td>4,2</td><td>3,7</td><td>5,8</td><td>36%</td><td>3,8</td></tr><tr><td>2B</td><td>Etages</td><td>9,7</td><td>4,8</td><td>5,8</td><td>6,8</td><td>4,4</td><td>-54%</td><td>10,1</td></tr><tr><td>4</td><td>Aménagements int.</td><td>0,0</td><td>0,1</td><td>0,5</td><td>0,2</td><td>4,0</td><td>95%</td><td>0,1</td></tr><tr><td>2G</td><td>Murs intérieurs</td><td>3,2</td><td>3,3</td><td>5,3</td><td>3,9</td><td>3,1</td><td>-27%</td><td>3,4</td></tr><tr><td>3C</td><td>Plafond (finition)</td><td>1,8</td><td>1,0</td><td>3,7</td><td>2,2</td><td>2,9</td><td>25%</td><td>2,8</td></tr><tr><td>3A</td><td>Murs (finition)</td><td>2,4</td><td>2,8</td><td>3,2</td><td>2,8</td><td>2,6</td><td>-8%</td><td>1,4</td></tr><tr><td>2H</td><td>Portes int.</td><td>3,5</td><td>4,0</td><td>3,1</td><td>3,5</td><td>2,4</td><td>-47%</td><td>0,2</td></tr><tr><td>2D</td><td>Escaliers</td><td>1,2</td><td>0,8</td><td>0,5</td><td>0,8</td><td>2,1</td><td>60%</td><td>1,1</td></tr></tbody></table>

Le bâtiment B2 ne comprend pas de sous-sol et est en R+2, quand les deux autres bâtiments sont construits sur un sous-sol en R+3 et R+6. Le taux de compacité semble différent entre les bâtiments d'étude et devra faire l'objet d'une estimation ultérieure. Cet indicateur ne peut cependant pas expliquer totalement les écarts avec les valeurs moyennes (pas d'accès à la volumétrie des bâtiments de référence). Les autres lots présentent des écarts variables, liés probablement à des problèmes de répartition en raison du manque de détail (certains escaliers par exemple sont reliés au lot Structure), mais pour des impacts carbone faibles. L'analyse fine du lot Services n'est pas possible à ce stade en raison de la grande disparité de présentation des données dans les documents fournis (devis, analyses économiques, plans).

## Simulation pour valider l'adéquation coût économique – coût carbone sur cas réel

Afin de vérifier l'applicabilité de la corrélation entre les coûts économiques et le coût carbone sur les bâtiments spécifiques, une étude complète sur un bâtiment existant a été lancée en utilisant le logiciel PLEIADES® (Fig. 2). A partir de l'ensemble des plans, des devis et retours d'expérience, un modèle géométrique 3D du bâtiment a été réalisé. Puis, dans un processus similaire à celui mis en œuvre lors d'une analyse de cycle de vie, et en intégrant la description des différents matériaux et une modélisation STD (Simulation Thermique Dynamique), le coût carbone peut être estimé. A chaque étape, la question de la qualité, de la fiabilité des données ou hypothèses se pose, ce qui conduit à travailler de façon itérative sur l'ensemble du processus. Certaines informations manquantes sur les matériaux, sur leur intégration ou leurs assemblages sont questionnées. Cela permet de mieux gérer les incertitudes ou la sensibilité de différents paramètres sur le résultat ainsi que d'introduire au fur et à mesure des données complémentaires.
présentés par le Tab. 2 (pourcentage de chaque lot par rapport au coût total, lots classés par ordre décroissant d'importance). Le lot Fondations, qui représente à lui seul 24% du carbone, est cependant très variable (de 9 à 16% des couts) en fonction du bâtiment. Cette variabilité s'explique par la présence de sous-sols pour les bâtiments B1 et B3, ce qui n'est pas le cas du B2. Si les éléments Structure et Toiture correspondent avec un écart moyen de l'ordre de 10%, les sous-lots Etages et Murs extérieurs s'écartent anormalement des données de la littérature.

<table><caption>Tab. 2 : Analyse comparée des coûts carbone par allostissement sur les bâtiments B1 à B3 (versus données issues de la littérature) – Hiérarchisation décroissante par le coût économique moyen</caption><thead><tr><th>Code NRM</th><th>Allotissement</th><th>B1 (%)</th><th>B2 (%)</th><th>B3 (%)</th><th>Coût moyen (%)</th><th>Coût moyen Litt. (%)</th><th>Ecart</th><th>Coût carbone Litt. (%)</th></tr></thead><tbody><tr><td>5</td><td>Services</td><td>28,2</td><td>33,6</td><td>31,2</td><td>31,0</td><td>32,7</td><td>5%</td><td>21,3</td></tr><tr><td>2E</td><td>Murs ext.</td><td>7,3</td><td>4,3</td><td>6,5</td><td>6,0</td><td>12,4</td><td>51%</td><td>8,8</td></tr><tr><td>2A</td><td>Structure</td><td>9,5</td><td>10,1</td><td>7,0</td><td>8,9</td><td>8,0</td><td>-11%</td><td>14,7</td></tr><tr><td>2F</td><td>Menuiserie ext.</td><td>4,8</td><td>7,2</td><td>6,2</td><td>6,1</td><td>7,3</td><td>17%</td><td>2,4</td></tr><tr><td>2C</td><td>Toiture</td><td>5,7</td><td>9,6</td><td>6,1</td><td>7,1</td><td>7,1</td><td>0%</td><td>6,3</td></tr><tr><td>1</td><td>Fondation</td><td>16,4</td><td>9,2</td><td>11,8</td><td>12,5</td><td>7,0</td><td>-78%</td><td>23,6</td></tr><tr><td>3B</td><td>Sols</td><td>3,2</td><td>3,8</td><td>4,2</td><td>3,7</td><td>5,8</td><td>36%</td><td>3,8</td></tr><tr><td>2B</td><td>Etages</td><td>9,7</td><td>4,8</td><td>5,8</td><td>6,8</td><td>4,4</td><td>-54%</td><td>10,1</td></tr><tr><td>4</td><td>Aménagements int.</td><td>0,0</td><td>0,1</td><td>0,5</td><td>0,2</td><td>4,0</td><td>95%</td><td>0,1</td></tr><tr><td>2G</td><td>Murs intérieurs</td><td>3,2</td><td>3,3</td><td>5,3</td><td>3,9</td><td>3,1</td><td>-27%</td><td>3,4</td></tr><tr><td>3C</td><td>Plafond (finition)</td><td>1,8</td><td>1,0</td><td>3,7</td><td>2,2</td><td>2,9</td><td>25%</td><td>2,8</td></tr><tr><td>3A</td><td>Murs (finition)</td><td>2,4</td><td>2,8</td><td>3,2</td><td>2,8</td><td>2,6</td><td>-8%</td><td>1,4</td></tr><tr><td>2H</td><td>Portes int.</td><td>3,5</td><td>4,0</td><td>3,1</td><td>3,5</td><td>2,4</td><td>-47%</td><td>0,2</td></tr><tr><td>2D</td><td>Escaliers</td><td>1,2</td><td>0,8</td><td>0,5</td><td>0,8</td><td>2,1</td><td>60%</td><td>1,1</td></tr></tbody></table>

Le bâtiment B2 ne comprend pas de sous-sol et est en R+2, quand les deux autres bâtiments sont construits sur un sous-sol en R+3 et R+6. Le taux de compacité semble différent entre les bâtiments d'étude et devra faire l'objet d'une estimation ultérieure. Cet indicateur ne peut cependant pas expliquer totalement les écarts avec les valeurs moyennes (pas d'accès à la volumétrie des bâtiments de référence). Les autres lots présentent des écarts variables, liés probablement à des problèmes de répartition en raison du manque de détail (certains escaliers par exemple sont reliés au lot Structure), mais pour des impacts carbone faibles. L'analyse fine du lot Services n'est pas possible à ce stade en raison de la grande disparité de présentation des données dans les documents fournis (devis, analyses économiques, plans).

## Simulation pour valider l'adéquation coût économique – coût carbone sur cas réel

Afin de vérifier l'applicabilité de la corrélation entre les coûts économiques et le coût carbone sur les bâtiments spécifiques, une étude complète sur un bâtiment existant a été lancée en utilisant le logiciel PLEIADES® (Fig. 2). A partir de l'ensemble des plans, des devis et retours d'expérience, un modèle géométrique 3D du bâtiment a été réalisé. Puis, dans un processus similaire à celui mis en œuvre lors d'une analyse de cycle de vie, et en intégrant la description des différents matériaux et une modélisation STD (Simulation Thermique Dynamique), le coût carbone peut être estimé. A chaque étape, la question de la qualité, de la fiabilité des données ou hypothèses se pose, ce qui conduit à travailler de façon itérative sur l'ensemble du processus. Certaines informations manquantes sur les matériaux, sur leur intégration ou leurs assemblages sont questionnées. Cela permet de mieux gérer les incertitudes ou la sensibilité de différents paramètres sur le résultat ainsi que d'introduire au fur et à mesure des données complémentaires.
<figure><img src="image_276.png" /><figcaption>Fig. 2 : Vue 3D de la modélisation complète du bâtiment B3 (réalisation sous logiciel Pléiades, avec plan 2D détaillé de chaque étage permettant une simulation STD ou ACV)</figcaption></figure>

Une fois la description du bâtiment complétée (matériaux, orientation, volumes...), un calcul estimatif des indicateurs de la RE2020, et en particulier de l'indicateur Ic Construction (intrinsèque et opérationnel), est opéré. Le calcul est opérable par lot et permet une autre approche des quantités carbone mises en œuvre et, via les devis et rectificatifs associés, des coûts économiques. Une approche fine et plus robuste est donc associée avec l'approche « grande maille » liée à la littérature. Les résultats futurs de l'utilisation de ce modèle sont l'identification des options de variantes ayant un impact potentiel sur le bilan carbone, puis, après intégration des variantes (composition parois, systèmes constructifs...) au logiciel, la comparaison et l'analyse des résultats des calculs carbone, et des ratios économiques associés aux variantes. L'analyse de plusieurs variantes en fonction des observations et des besoins d'analyse de sensibilité et de gestion des incertitudes, doit conduire à des enseignements en termes de construction bas carbone pour les bâtiments.

Axes principaux à fort potentiel pour la conception et les variantes :

- Interroger le choix de rénover plutôt que de construire en neuf car les matériaux d'origine du bâtiment à rénover apportent une économie d'émission de GES qu'un bâtiment neuf ne peut pas rattraper.

- Utiliser des matériaux de réemploi, car considérés par la RE2020 comme à impact nul.

- Développer la frugalité des choix constructifs (limitation des volumes de matériaux par une simplification des formes - notion de compacité), ou par une optimisation (systèmes de dalles nervurées plutôt que dalles épaisses).

- Mutualiser les lots à fort impact carbone (ex intégrer les parkings à l'urbanisme du quartier). Il faudra de plus prendre en compte les limites actuelles :

- Complexité et coûts d'études supplémentaires pour l'utilisation de matériaux de réemploi.

- Existence/incertitudes sur les données environnementales.

- Incertitude de l'impact de secteurs/activités à long terme (évolution des transports...).

- Prise en compte des impacts autre que le carbone (ACV complète, biodiversité) et des responsabilités/dépendances qui sont liées. Par exemple pour le béton, les problématiques liées au sable (raréfaction) ; pour le bois, les problématiques de protection des forêts ; pour des isolants biosourcés, les problématiques de conflit d'usage des sols agricoles.

## Conclusions et perspectives

Matériau utile pour la réduction du carbone intrinsèque des bâtiments, le bois peut également l'être dans l'intérêt psychologique et physiologique des occupants. Cependant, il est rare que le même matériau soit utilisé pour répondre à l'ensemble de ces fonctions. On trouve
<figure><img src="image_274.png" /><figcaption>Fig. 2 : Vue 3D de la modélisation complète du bâtiment B3 (réalisation sous logiciel Pléiades, avec plan 2D détaillé de chaque étage permettant une simulation STD ou ACV)</figcaption></figure>

Une fois la description du bâtiment complétée (matériaux, orientation, volumes...), un calcul estimatif des indicateurs de la RE2020, et en particulier de l'indicateur Ic Construction (intrinsèque et opérationnel), est opéré. Le calcul est opérable par lot et permet une autre approche des quantités carbone mises en œuvre et, via les devis et rectificatifs associés, des coûts économiques. Une approche fine et plus robuste est donc associée avec l'approche « grande maille » liée à la littérature. Les résultats futurs de l'utilisation de ce modèle sont l'identification des options de variantes ayant un impact potentiel sur le bilan carbone, puis, après intégration des variantes (composition parois, systèmes constructifs...) au logiciel, la comparaison et l'analyse des résultats des calculs carbone, et des ratios économiques associés aux variantes. L'analyse de plusieurs variantes en fonction des observations et des besoins d'analyse de sensibilité et de gestion des incertitudes, doit conduire à des enseignements en termes de construction bas carbone pour les bâtiments.

Axes principaux à fort potentiel pour la conception et les variantes :

- Interroger le choix de rénover plutôt que de construire en neuf car les matériaux d'origine du bâtiment à rénover apportent une économie d'émission de GES qu'un bâtiment neuf ne peut pas rattraper.

- Utiliser des matériaux de réemploi, car considérés par la RE2020 comme à impact nul.

- Développer la frugalité des choix constructifs (limitation des volumes de matériaux par une simplification des formes - notion de compacité), ou par une optimisation (systèmes de dalles nervurées plutôt que dalles épaisses).

- Mutualiser les lots à fort impact carbone (ex intégrer les parkings à l'urbanisme du quartier). Il faudra de plus prendre en compte les limites actuelles :

- Complexité et coûts d'études supplémentaires pour l'utilisation de matériaux de réemploi.

- Existence/incertitudes sur les données environnementales.

- Incertitude de l'impact de secteurs/activités à long terme (évolution des transports...).

- Prise en compte des impacts autre que le carbone (ACV complète, biodiversité) et des responsabilités/dépendances qui sont liées. Par exemple pour le béton, les problématiques liées au sable (raréfaction) ; pour le bois, les problématiques de protection des forêts ; pour des isolants biosourcés, les problématiques de conflit d'usage des sols agricoles.

## Conclusions et perspectives

Matériau utile pour la réduction du carbone intrinsèque des bâtiments, le bois peut également l'être dans l'intérêt psychologique et physiologique des occupants. Cependant, il est rare que le même matériau soit utilisé pour répondre à l'ensemble de ces fonctions. On trouve
régulièrement des éléments d'imitation bois (porte, sol, plafond) intégrés aux bâtiments médicalisés. Pourquoi dissocier les effets ? Il est ainsi nécessaire de questionner régulièrement les modes d'utilisation pour retrouver les synergies possibles. Ce programme doit permettre d'aboutir à une meilleure conception, une diminution des impacts environnementaux, des bâtiments plus sains.

## *Intégration des éléments de santé et de bien-être dans les variantes bas carbone*

Les éléments bois intégrés à l'architecture représentent un gain important dans le calcul du carbone intrinsèque. C'est la raison pour laquelle un nombre croissant de bâtiments adopte ce matériau. Ce matériau de structure peut être masqué ou affiché comme un élément participant au bien-être des résidents. Les variantes bas carbone doivent permettre la valorisation du matériau selon les lieux et leur fonction. Une économie de fonction doit pouvoir également être prise en compte (absence de peinture...). L'adoption à grande échelle du bois pour les applications intérieures dans les bâtiments de santé suscite cependant des réticences. Certaines recherches ont pourtant montré que les matériaux en bois non traités ont des propriétés antimicrobiennes contre un large éventail d'agents pathogènes, et que leur nettoyage est équivalent aux autres matériaux usuels. Un programme d'impact du bois sur le développement bactérien et la qualité de l'air (aérosol microbien, particules, COV) in-situ est en cours pour confirmer ces effets.

## **Remerciements**

Ce projet est un partenariat ESB, KORIAN financé dans le cadre du programme France RELANCE. Un remerciement à Madame Annabelle BILLY, initiatrice du projet chez KORIAN aujourd'hui au CHU de Limoges (Construction de Patrimoine). La modélisation 3D numérique du bâtiment d'étude a été réalisé par Daniele DA COSTA et Eunice YOUYATTE, élèves ingénieures de l'ESB.

## **Références**

De Wolf C, Yang F, Cox D, Charlson A, Seif Hattan A, Ochsendorf J (2017) Material Quantities and Embodied Carbon Dioxyde in Structures. Engineering Sustainability. 169(4):150-161.

De Wolf, Pomponi F, Moncaster A (2018) Measuring embodied carbon dioxyde equivalent of buildings: A review and critique of current industry pratice. Energy and Buildings. 140:68-80.

Lipovac D, Burnard MD (2020) Effects of visual exposure to wood on human affective states, physiological arousal and cognitive performance: A systematic review of randomized trials. Indoor and Built Environment. 1420326X2092743 doi:10.1177/1420326X20927437.

Kotradyova V, Vavrinsky E, Kalinakova B, Petro D, Jansakova K, Boles M, Svobodova H (2019) Wood and Its Impact on Humans and Environment Quality in Healthcare Facilities. Int. J. Environ. Res. Public Health. 16:3496.

Kumari S, Kumar R (2020) Green Hospital—A Necessity and Not Option. J. Manag. Res. Anal. 7:46-51.

Zhang X, Lian Z, Ding Q (2016) Investigation variance in human psychological responses to wooden indoor environments. Building and Environment 109:58-67.
régulièrement des éléments d'imitation bois (porte, sol, plafond) intégrés aux bâtiments médicalisés. Pourquoi dissocier les effets ? Il est ainsi nécessaire de questionner régulièrement les modes d'utilisation pour retrouver les synergies possibles. Ce programme doit permettre d'aboutir à une meilleure conception, une diminution des impacts environnementaux, des bâtiments plus sains.

## *Intégration des éléments de santé et de bien-être dans les variantes bas carbone*

Les éléments bois intégrés à l'architecture représentent un gain important dans le calcul du carbone intrinsèque. C'est la raison pour laquelle un nombre croissant de bâtiments adopte ce matériau. Ce matériau de structure peut être masqué ou affiché comme un élément participant au bien-être des résidents. Les variantes bas carbone doivent permettre la valorisation du matériau selon les lieux et leur fonction. Une économie de fonction doit pouvoir également être prise en compte (absence de peinture...). L'adoption à grande échelle du bois pour les applications intérieures dans les bâtiments de santé suscite cependant des réticences. Certaines recherches ont pourtant montré que les matériaux en bois non traités ont des propriétés antimicrobiennes contre un large éventail d'agents pathogènes, et que leur nettoyage est équivalent aux autres matériaux usuels. Un programme d'impact du bois sur le développement bactérien et la qualité de l'air (aérosol microbien, particules, COV) in-situ est en cours pour confirmer ces effets.

## **Remerciements**

Ce projet est un partenariat ESB, KORIAN financé dans le cadre du programme France RELANCE. Un remerciement à Madame Annabelle BILLY, initiatrice du projet chez KORIAN aujourd'hui au CHU de Limoges (Construction de Patrimoine). La modélisation 3D numérique du bâtiment d'étude a été réalisé par Daniele DA COSTA et Eunice YOUYATTE, élèves ingénieures de l'ESB.

## **Références**

De Wolf C, Yang F, Cox D, Charlson A, Seif Hattan A, Ochsendorf J (2017) Material Quantities and Embodied Carbon Dioxyde in Structures. Engineering Sustainability. 169(4):150-161.

De Wolf, Pomponi F, Moncaster A (2018) Measuring embodied carbon dioxyde equivalent of buildings: A review and critique of current industry pratice. Energy and Buildings. 140:68-80.

Lipovac D, Burnard MD (2020) Effects of visual exposure to wood on human affective states, physiological arousal and cognitive performance: A systematic review of randomized trials. Indoor and Built Environment. 1420326X2092743 doi:10.1177/1420326X20927437.

Kotradyova V, Vavrinsky E, Kalinakova B, Petro D, Jansakova K, Boles M, Svobodova H (2019) Wood and Its Impact on Humans and Environment Quality in Healthcare Facilities. Int. J. Environ. Res. Public Health. 16:3496.

Kumari S, Kumar R (2020) Green Hospital—A Necessity and Not Option. J. Manag. Res. Anal. 7:46-51.

Zhang X, Lian Z, Ding Q (2016) Investigation variance in human psychological responses to wooden indoor environments. Building and Environment 109:58-67.
# Application de la méthode des EF pour la modélisation du déroulage du bois vert

YAICH Mariem¹, VIGUIER Jeffrey¹, DENAUD Louis¹, HAKIM Said Youssouf¹, COTTIN Fabrice¹

¹Arts et Metiers Institute of Technology, LABOMAP, HESAM Université,
F-71250 Cluny, France
Mariem.Yaich@ensam.eu

**Mots clefs :** Bois ; Déroulage ; Modélisation ; Eléments Finis ; Endommagement

## Contexte et objectifs

Le bois, contrairement aux métaux, est un matériau complexe par son hétérogénéité naturelle. Les premiers niveaux de variabilité sont ceux de l'inter-essence et de l'intra-essence, qui reflètent les différences en termes de propriétés physiques et mécaniques entre les essences et au sein d'une même espèce d'arbre. À cela se rajoutent les spécificités locales du bois liées à son développement telles que les nœuds, les cernes de croissance, le bois de réaction... qui agissent sur l'efficience de l'usinage par déroulage du bois vert. Ce procédé, bien qu'étant une technique ancienne, s'inscrit parfaitement dans le contexte actuel de la transition écologique et de réduction d'émission du CO2. Ce procédé a évolué au fil du temps en intégrant de nouvelles essences, parfois issues de bois de qualité secondaire afin d'optimiser son utilisation et le valoriser. Ce procédé de première transformation, dont le produit final est le copeau, a fait l'objectif de nombreuses études expérimentales. En revanche, outre la variabilité intrinsèque du bois à différentes échelles, il s'ajoute à cela la complexité du procédé en lui-même et les interactions entre ses différents paramètres (barre de pression, géométrie et orientation du couteau...), ce qui rend l'optimisation du procédé de déroulage, basée uniquement sur une étude expérimentale, un véritable défi, en raison du nombre exhaustif des essais à réaliser pour toutes les essences de bois. Pour cela, la mise en place d'une approche numérique, bien qu'approximative, s'avère avantageuse, car elle permet de découpler l'effet des différents paramètres et de simplifier le procédé.

Dans une optique de réduction des coûts, d'anticipation du comportement du bois lors de la coupe, de maîtrise de sa transformation et de compréhension des phénomènes locaux accompagnant la formation du placage, notamment sa fissuration et la variation locale de son épaisseur, une nouvelle méthode par EF est proposée dans cette étude. Dans ce contexte, une subroutine a été développée sur Fortran dans le but de prendre en considération l'anisotropie du bois, avant et après son endommagement. Une étude préliminaire est mise en place pour sa validation, dans le cas des modélisations 2D et 3D à faibles vitesses de déformations et pour différentes essences de bois. Elle est complétée par la simulation du procédé du déroulage du hêtre, un bois relativement homogène. Le modèle numérique de coupe est ensuite validé sur la base d'une campagne expérimentale du déroulage effectuée avec la ligne multi-instrumentée du LaBoMaP.

## Matériel et méthode

### Implémentation numérique

Dans une optique de simplification, nous négligeons, dans cette étude, l'effet des cernes de croissance, des nœuds, de l'orientation locale des fibres... sur le comportement du matériau
# Application de la méthode des EF pour la modélisation du déroulage du bois vert

YAICH Mariem¹, VIGUIER Jeffrey¹, DENAUD Louis¹, HAKIM Said Youssouf¹, COTTIN Fabrice¹

¹Arts et Metiers Institute of Technology, LABOMAP, HESAM Université,
F-71250 Cluny, France
Mariem.Yaich@ensam.eu

**Mots clefs :** Bois ; Déroulage ; Modélisation ; Eléments Finis ; Endommagement

## Contexte et objectifs

Le bois, contrairement aux métaux, est un matériau complexe par son hétérogénéité naturelle. Les premiers niveaux de variabilité sont ceux de l'inter-essence et de l'intra-essence, qui reflètent les différences en termes de propriétés physiques et mécaniques entre les essences et au sein d'une même espèce d'arbre. À cela se rajoutent les spécificités locales du bois liées à son développement telles que les nœuds, les cernes de croissance, le bois de réaction... qui agissent sur l'efficience de l'usinage par déroulage du bois vert. Ce procédé, bien qu'étant une technique ancienne, s'inscrit parfaitement dans le contexte actuel de la transition écologique et de réduction d'émission du CO2. Ce procédé a évolué au fil du temps en intégrant de nouvelles essences, parfois issues de bois de qualité secondaire afin d'optimiser son utilisation et le valoriser. Ce procédé de première transformation, dont le produit final est le copeau, a fait l'objectif de nombreuses études expérimentales. En revanche, outre la variabilité intrinsèque du bois à différentes échelles, il s'ajoute à cela la complexité du procédé en lui-même et les interactions entre ses différents paramètres (barre de pression, géométrie et orientation du couteau...), ce qui rend l'optimisation du procédé de déroulage, basée uniquement sur une étude expérimentale, un véritable défi, en raison du nombre exhaustif des essais à réaliser pour toutes les essences de bois. Pour cela, la mise en place d'une approche numérique, bien qu'approximative, s'avère avantageuse, car elle permet de découpler l'effet des différents paramètres et de simplifier le procédé.

Dans une optique de réduction des coûts, d'anticipation du comportement du bois lors de la coupe, de maîtrise de sa transformation et de compréhension des phénomènes locaux accompagnant la formation du placage, notamment sa fissuration et la variation locale de son épaisseur, une nouvelle méthode par EF est proposée dans cette étude. Dans ce contexte, une subroutine a été développée sur Fortran dans le but de prendre en considération l'anisotropie du bois, avant et après son endommagement. Une étude préliminaire est mise en place pour sa validation, dans le cas des modélisations 2D et 3D à faibles vitesses de déformations et pour différentes essences de bois. Elle est complétée par la simulation du procédé du déroulage du hêtre, un bois relativement homogène. Le modèle numérique de coupe est ensuite validé sur la base d'une campagne expérimentale du déroulage effectuée avec la ligne multi-instrumentée du LaBoMaP.

## Matériel et méthode

### Implémentation numérique

Dans une optique de simplification, nous négligeons, dans cette étude, l'effet des cernes de croissance, des nœuds, de l'orientation locale des fibres... sur le comportement du matériau
bois. Nous menons cette étude en supposant qu'il s'agit d'un matériau homogène orthotrope, dont la déformation est principalement dépendante du type de chargement et de sa direction.

Pour le comportement en endommagement du matériau bois, le critère de Hashin (1980), souvent utilisé pour prédire l'endommagement dans des matériaux composites stratifiés, est retenu dans cette étude. Il a la particularité de prendre en considération la rupture différée dans le matériau étudié (selon la direction parallèle aux fibres ou celle transverse) sous l'effet d'une sollicitation en traction ou compression. Ce critère est couplé avec une loi linéaire d'évolution d'endommagement. Ce choix est justifié par la nécessité de prédire les deux types de rupture présents dans le bois : (1) la rupture fragile au niveau des fibres, modélisé par la suppression de l'EF une fois l'endommagement initié ; et (2) la rupture ductile de la partie non fibreuse, obtenue principalement dans le cas d'une sollicitation perpendiculaire aux fibres et générant une diminution progressive des propriétés mécaniques du matériau jusqu'à son endommagement final.

Bien que ce modèle soit implémenté dans Abaqus, sa limitation à des conditions particulières de chargements, ne correspondant pas à ceux du procédé de déroulage, et à des modélisations en 2D, explique l'intérêt de l'implémentation numérique effectuée dans cette étude. Les principales parties de la VUMAT développée dans cette étude sont détaillées par la Fig. 1. Du fait que la formation de placage est un procédé assez complexe, dont des niveaux importants de sollicitations viennent s'additionner aux problèmes liés à la forte variabilité du matériau, la validation de la VUMAT est effectuée, dans un premier temps, sur des essais mécaniques unidirectionnels (de type traction, compression et flexion 3 points) et à faibles vitesses de déformation. Elle est suivie, dans un deuxième temps, par la modélisation du déroulage.

<figure><img src="image_277.png" /><figcaption>Fig. 1 : Organigramme de la méthode utilisée pour l'implémentation du modèle d'endommagement dans Abaqus/Explicit</figcaption></figure>
bois. Nous menons cette étude en supposant qu'il s'agit d'un matériau homogène orthotrope, dont la déformation est principalement dépendante du type de chargement et de sa direction.

Pour le comportement en endommagement du matériau bois, le critère de Hashin (1980), souvent utilisé pour prédire l'endommagement dans des matériaux composites stratifiés, est retenu dans cette étude. Il a la particularité de prendre en considération la rupture différée dans le matériau étudié (selon la direction parallèle aux fibres ou celle transverse) sous l'effet d'une sollicitation en traction ou compression. Ce critère est couplé avec une loi linéaire d'évolution d'endommagement. Ce choix est justifié par la nécessité de prédire les deux types de rupture présents dans le bois : (1) la rupture fragile au niveau des fibres, modélisé par la suppression de l'EF une fois l'endommagement initié ; et (2) la rupture ductile de la partie non fibreuse, obtenue principalement dans le cas d'une sollicitation perpendiculaire aux fibres et générant une diminution progressive des propriétés mécaniques du matériau jusqu'à son endommagement final.

Bien que ce modèle soit implémenté dans Abaqus, sa limitation à des conditions particulières de chargements, ne correspondant pas à ceux du procédé de déroulage, et à des modélisations en 2D, explique l'intérêt de l'implémentation numérique effectuée dans cette étude. Les principales parties de la VUMAT développée dans cette étude sont détaillées par la Fig. 1. Du fait que la formation de placage est un procédé assez complexe, dont des niveaux importants de sollicitations viennent s'additionner aux problèmes liés à la forte variabilité du matériau, la validation de la VUMAT est effectuée, dans un premier temps, sur des essais mécaniques unidirectionnels (de type traction, compression et flexion 3 points) et à faibles vitesses de déformation. Elle est suivie, dans un deuxième temps, par la modélisation du déroulage.

<figure><img src="image_275.png" /><figcaption>Fig. 1 : Organigramme de la méthode utilisée pour l'implémentation du modèle d'endommagement dans Abaqus/Explicit</figcaption></figure>
## Modèles numériques

Des modélisations numériques 2D et 3D sont mises en place. La géométrie des éprouvettes étudiées, pour chaque essai mécanique, est illustrée par la Fig. 2. Elles correspondent à celles expérimentales de la littérature (Karagiannis 2016, Wargula, 2021, Khennane 2014), dont les résultats sont utilisés pour vérifier la pertinence des simulations numériques. Les mêmes conditions de chargement sont définies. Plusieurs essences de bois verts (épicéa, pin, hêtre...), dont les propriétés mécaniques sont directement prises de la littérature (Murray 2007, Sandhaas 2019), ont été étudiées.

<figure><img src="image_278.png" /><figcaption>Fig. 2 : Modèles géométriques définis dans le cas de : traction longitidunale (épicéa) (a) 2D et (b) 3D, (c) traction tangentielle 3D (pin), (d) flexion 3 points 3D (épicéa) et (e) coupe orthogonale 2D (hêtre)</figcaption></figure>

La modélisation du procédé du déroulage est réalisée avec un modèle de coupe orthogonale 2D, comme illustré dans la Fig. 2. Une vitesse de coupe de 1.5 m/s est définie au couteau, et aucune barre de pression n'est utilisée. Ce choix est motivé par l'intérêt de diminuer les paramètres agissant sur les résultats numériques, et par suite se focaliser sur la capacité de la VUMAT à reproduire le comportement du bois dans le cas du déroulage, tout en évitant les problèmes de simulations souvent rencontrés suite à une mauvaise gestion des conditions de contact couplées à des chargements fortement dynamiques. Une seule épaisseur de placage de 0.6 mm est modélisée dans cette étude.

## Résultats et discussion

Comme illustré par la Fig. 3, différents modes d'endommagement ont été obtenus en fonction de la direction de la sollicitation. En se basant sur les résultats expérimentaux de la littérature, une adéquation en termes de prévision de la zone endommagée et de la propagation des fissures est soulignée. D'autre part, les résultats de la modélisation du procédé du déroulage montrent la formation d'un placage avec peu de variation de son épaisseur. Les efforts modélisés sur le couteau sont également homogènes, témoignant d'une coupe stable. Ces résultats restent cohérents avec les essais de déroulage réalisés avec la dérouleuse du LaBoMaP dont la stabilité de la coupe et la diminution des vibrations dans la machine ont été soulignées pour la condition de coupe étudiée. Quant aux efforts appliqués sur le couteau, l'utilisation de la méthode de suppression des EF endommagés a contribué à une diminution brusque des valeurs, résultant par suite à des écarts avec les résultats expérimentaux.
## Modèles numériques

Des modélisations numériques 2D et 3D sont mises en place. La géométrie des éprouvettes étudiées, pour chaque essai mécanique, est illustrée par la Fig. 2. Elles correspondent à celles expérimentales de la littérature (Karagiannis 2016, Wargula, 2021, Khennane 2014), dont les résultats sont utilisés pour vérifier la pertinence des simulations numériques. Les mêmes conditions de chargement sont définies. Plusieurs essences de bois verts (épicéa, pin, hêtre...), dont les propriétés mécaniques sont directement prises de la littérature (Murray 2007, Sandhaas 2019), ont été étudiées.

<figure><img src="image_276.png" /><figcaption>Fig. 2 : Modèles géométriques définis dans le cas de : traction longitidunale (épicéa) (a) 2D et (b) 3D, (c) traction tangentielle 3D (pin), (d) flexion 3 points 3D (épicéa) et (e) coupe orthogonale 2D (hêtre)</figcaption></figure>

La modélisation du procédé du déroulage est réalisée avec un modèle de coupe orthogonale 2D, comme illustré dans la Fig. 2. Une vitesse de coupe de 1.5 m/s est définie au couteau, et aucune barre de pression n'est utilisée. Ce choix est motivé par l'intérêt de diminuer les paramètres agissant sur les résultats numériques, et par suite se focaliser sur la capacité de la VUMAT à reproduire le comportement du bois dans le cas du déroulage, tout en évitant les problèmes de simulations souvent rencontrés suite à une mauvaise gestion des conditions de contact couplées à des chargements fortement dynamiques. Une seule épaisseur de placage de 0.6 mm est modélisée dans cette étude.

## Résultats et discussion

Comme illustré par la Fig. 3, différents modes d'endommagement ont été obtenus en fonction de la direction de la sollicitation. En se basant sur les résultats expérimentaux de la littérature, une adéquation en termes de prévision de la zone endommagée et de la propagation des fissures est soulignée. D'autre part, les résultats de la modélisation du procédé du déroulage montrent la formation d'un placage avec peu de variation de son épaisseur. Les efforts modélisés sur le couteau sont également homogènes, témoignant d'une coupe stable. Ces résultats restent cohérents avec les essais de déroulage réalisés avec la dérouleuse du LaBoMaP dont la stabilité de la coupe et la diminution des vibrations dans la machine ont été soulignées pour la condition de coupe étudiée. Quant aux efforts appliqués sur le couteau, l'utilisation de la méthode de suppression des EF endommagés a contribué à une diminution brusque des valeurs, résultant par suite à des écarts avec les résultats expérimentaux.
<figure><img src="image_279.png" /><figcaption>Fig. 3 : Propagation de l'endommagement pour différents types de sollicitation (avec SDV14 et SDV16 sont la variable d'endommagement en traction selon la direction de la fibre et celle transversale, respectivement)</figcaption></figure>

## Conclusion et perspectives

Cette étude a permis de mettre en place un premier modèle par EF du procédé de déroulage. La définition du modèle d'endommagement de Hashin dans le cas des conditions de chargements quasi-statiques, comme pour le déroulage avec des chargements combinés et plus dynamiques, a montré des résultats prometteurs. Certes, ces premières modélisations du déroulage sont réalisées sur le hêtre, qui est un bois homogène avec peu de variabilité ; en revanche, des niveaux acceptables de corrélations sont atteints. Cela met en évidence la pertinence des choix effectués, en termes du modèle d'endommagement et des implémentations élaborées. Cette analyse nécessite d'être approfondie afin d'étudier les principaux paramètres agissant sur la qualité du placage et la propagation des fissures.

## Remerciements

Cette étude est réalisée dans le cadre du projet JENII (Jumeaux d'Enseignement Numériques, Immersifs et Interractifs) soutenu par l'Agence Nationale de la Recherche (JENII - ANR-21-DMES-0006).

## Références

Hashin Z. (1980) Failure criteria for unidirectional fiber composites. J. Appl. Mech., 47, 329–334.

Karagiannis V. (2016) Behaviour of hybrid timber-steel beam-to-column connections.
<figure><img src="image_277.png" /><figcaption>Fig. 3 : Propagation de l'endommagement pour différents types de sollicitation (avec SDV14 et SDV16 sont la variable d'endommagement en traction selon la direction de la fibre et celle transversale, respectivement)</figcaption></figure>

## Conclusion et perspectives

Cette étude a permis de mettre en place un premier modèle par EF du procédé de déroulage. La définition du modèle d'endommagement de Hashin dans le cas des conditions de chargements quasi-statiques, comme pour le déroulage avec des chargements combinés et plus dynamiques, a montré des résultats prometteurs. Certes, ces premières modélisations du déroulage sont réalisées sur le hêtre, qui est un bois homogène avec peu de variabilité ; en revanche, des niveaux acceptables de corrélations sont atteints. Cela met en évidence la pertinence des choix effectués, en termes du modèle d'endommagement et des implémentations élaborées. Cette analyse nécessite d'être approfondie afin d'étudier les principaux paramètres agissant sur la qualité du placage et la propagation des fissures.

## Remerciements

Cette étude est réalisée dans le cadre du projet JENII (Jumeaux d'Enseignement Numériques, Immersifs et Interractifs) soutenu par l'Agence Nationale de la Recherche (JENII - ANR-21-DMES-0006).

## Références

Hashin Z. (1980) Failure criteria for unidirectional fiber composites. J. Appl. Mech., 47, 329–334.

Karagiannis V. (2016) Behaviour of hybrid timber-steel beam-to-column connections.
Khennane A.M.K. (2014) Numerical modelling of ductile damage evolution in tensile and bending tests of timber structures. Mechanics of Materials, 68, 228-236.

Murray Y. (2007) Manual for LS-DYNA wood material model 143 (No. FHWA-HRT-04-097). United States: Federal Highway Administration.

Sandhaas C.A.S.-W. (2019) Numerical modelling of timber and timber joints: computational aspects. Wood Science and Technology, 54, 31-61. doi:https://doi.org/10.1007/s00226-019-01142-8

Wargula L.D.W. (2021) Symmetric nature of stress distribution in the elastic-plastic range of pinus L. pine wood samples determined experimentally and using the finite element method (FEM). Symmetry, 13, 39.
Khennane A.M.K. (2014) Numerical modelling of ductile damage evolution in tensile and bending tests of timber structures. Mechanics of Materials, 68, 228-236.

Murray Y. (2007) Manual for LS-DYNA wood material model 143 (No. FHWA-HRT-04-097). United States: Federal Highway Administration.

Sandhaas C.A.S.-W. (2019) Numerical modelling of timber and timber joints: computational aspects. Wood Science and Technology, 54, 31-61. doi:https://doi.org/10.1007/s00226-019-01142-8

Wargula L.D.W. (2021) Symmetric nature of stress distribution in the elastic-plastic range of pinus L. pine wood samples determined experimentally and using the finite element method (FEM). Symmetry, 13, 39.