# Etude du microclimat forestier dans un contexte de changement du macroclimat – Cas particulier du territoire des Landes de Gascogne

LAVALETTE Anne<fnref n="1" />, LECOMTE Lucie<fnref n="1" />, DUPLEIX Anna<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, RUFFIO Emmanuel<fnref n="1" />

**Mots clefs** : Microclimat ; Landes de Gascogne ; Température ; Changement climatique ; Gestion forestière ; Services civiques ; Développement de territoire

## Contexte et objectifs

Suite aux incendies de forêts en Gironde en 2022, et fort de constater que les événements liés à la crise climatique ne cessent de se multiplier partout sur nos territoires, la Fédération Léo Lagrange a proposé à la DRAJES Nouvelle-Aquitaine la réalisation d'une étude visant à conceptualiser de nouveaux dispositifs d'engagement des jeunes autour des sujets de "Résilience des Territoires". A partir des besoins prioritaires du territoire étudié, cette étude vise à définir des missions de prévention ou d'adaptation à confier à des jeunes citoyens qui effectuent leur service civique. Une des missions proposées dans ces dispositifs d'engagement intègre ces jeunes à des projets de recherches.

L'adaptation des forêts au changement climatique et l'effet des forêts sur le climat sont des préoccupations majeures dans les projets de recherche actuels (projets ANR IMPRINT<fnref n="2" />, MaCCMic<fnref n="3" /> et Labex COTE<fnref n="4" />). Des résultats issus de recherches scientifiques attestent du lien entre la forêt et le climat : la forêt capte du carbone grâce à la photosynthèse, évapore de l'eau, ce qui régule le climat localement (Gril 2024). Cependant, les pratiques de gestion forestière actuelles dans les Landes de Gascogne ont pour objectif principal la production de bois. Même si elles intègrent des principes de gestion durable, elles ne prennent pas en compte le potentiel climatique de la forêt. Cela s'explique en partie par le manque de données fiables, de connaissances précises ou d'outils permettant d'évaluer l'impact des modes de gestion forestière sur le microclimat forestier (Ogée 2020) ou sur la croissance et la santé des forêts. De ce constat est née l'idée de faire participer des services civiques, des « Géonautes », pour répondre au manque de connaissances scientifiques identifié.

## Objectifs du projet :

- Fournir des données de terrain sur la croissance des arbres, la santé des forêts, la régénération et le microclimat forestier dans différents contextes de gestion forestière. Les données seront acquises en coopération avec des acteurs locaux, et en complément des données actuelles sur le microclimat afin de renforcer la robustesse des modèles en cours de développement ;

- Participer à l'amélioration des connaissances nationales sur le microclimat forestier, en lien avec d'autres projets nationaux ;

<footnote n="1">¹Co-Actions, CAE – Groupe Recherche, Alt-R&D. 33130 Bègles.</footnote>

<footnote n="2">²Laboratoire Crises, EA 4424, Université Paul Valéry, 34000 Montpellier
[anne.lavalette@alt-rd.com](mailto:anne.lavalette@alt-rd.com)</footnote>

<footnote n="2">² https://anr.fr/Projet-ANR-19-CE32-0005</footnote>

<footnote n="3">³ https://anr.fr/Project-ANR-21-CE32-0012</footnote>

<footnote n="4">⁴ https://anr.fr/ProjetIA-10-LABX-0045/</footnote>
- Documenter la diversité des pratiques de gestion forestière actuelles et potentielles sur le territoire des Landes de Gascogne (en lien avec le CNPF) ;

- Former des jeunes citoyens à la méthode scientifique ;

- Sensibiliser le public à ces problématiques de gestion forestière en lien avec le changement climatique.

## Matériel et méthode

Cinq forêts de 10 à 20 ha sont incluses dans l'étude (Fig. 1).

<figure><img src="image_204.png" /><figcaption>Fig. 1 : Cartographie des cinq forêts incluses dans l'étude</figcaption></figure>

### 1- Enquête auprès des propriétaires

Un guide d'entretien permettra de mener les entretiens auprès des propriétaires et gestionnaires forestiers, avec trois objectifs principaux :

- Comprendre quels sont leurs usages et leurs savoirs dans la forêt des Landes de Gascogne.

- Identifier les différents types de peuplements présents dans les cinq forêts de l'étude afin d'y réaliser les mesures scientifiques.

- Identifier les perceptions, contraintes et stratégies des acteurs de la filière forêt-bois mises en œuvre face au changement du macroclimat.

### 2- Définition des points de mesure sur les placettes forestières au sein des cinq forêts

- Suite aux entretiens, différentes placettes forestières seront sélectionnées sur chacune des cinq forêts, avec le propriétaire forestier (végétation uniforme, topographie particulière...) selon leur intérêt et leur diversité pour l'étude. Dans la mesure du possible, deux placettes similaires seront sélectionnées dans chaque forêt pour doubler les mesures.

- Le centre de chaque placette constituera un point de mesure (cf. paragraphe suivant).

### 3- Mesures effectuées sur chaque placette

Le microclimat forestier est influencé par plusieurs paramètres tels que la hauteur des arbres, leur taux de couverture (ombrage), la topologie de la forêt (rivière, relief...), l'accessibilité au vent, les essences présentes, la densité des arbres etc. (Gril 2024, Ogée 2020, Gaudiau et al., 2017). Des données précises sur les caractéristiques locales des peuplements sont donc
nécessaires afin d'identifier, lors de l'analyse des données, celles qui influencent les températures locales mesurées sous couvert forestier (i.e. microclimat).

Les protocoles de mesure suivants ont été définis pour chaque paramètre :

- Taux de couverture des arbres à l'aide d'objectifs Fisheye qui capturent des photos hémisphériques de la canopée.

- Températures sous couvert forestier : 20 capteurs fixes seront installés au centre des placettes (Fig. 2), dont une partie fournie par J. Ogée, INRAE EcoFun, Villenave d'Ornon (33).

- Données relatives à l'inventaire forestier : diamètres, hauteurs, âge, mortalité, essences, régénération naturelle.

<figure><img src="image_205.png" /><figcaption>Fig. 2 : Station météo équipée d'un capteur de température installé au sein d'un ensemble d'assiettes (protection solaire, convection) pour mesurer la température de l'air ambiant.</figcaption></figure>

## Perspectives

Les mesures climatiques actuelles effectuées de nos jours à l'aide des stations météo sont toujours effectuées en dehors des forêts. Un manque de données sur le microclimat sous couvert forestier a été identifié. Les données relevées au cours de l'étude seront partagées dans les bases de données nationales et internationales (ERA5-Land, SoilTemp<fnref n="5" />).

Les données récoltées seront analysées afin de comparer les données issues de plusieurs stations forestières aux mesures réalisées hors forêt. Elles permettront également d'évaluer un modèle numérique développé par Jérôme Ogée, Klara Bouwen et Rémi Lemaire-Patin (INRAE). Ce modèle permet d'évaluer l'impact de la gestion forestière sur le microclimat en sous-bois et les conditions de régénération naturelle des forêts à des échelles de 1 à 5 ans. Un outil d'aide à la décision à l'intention des gestionnaires forestiers, basé sur ce modèle, est également en cours de développement par l'INRAE.

Un recueil des pratiques de gestion forestière sur le territoire sera réalisé suite aux entretiens par les services civiques. L'expérience de chaque sylviculteur, gestionnaire ou propriétaire pourra ainsi être accessible au plus grand nombre et permettre une diffusion des connaissances utile à tous.

## Remerciements

Nous tenons à remercier Eva Gril, Klara Bouwen, Jérôme Ogée, Jonathan Lenoir, Franck Gandiaga et leurs équipes dont les thèmes de recherche proches ont permis des échanges ouverts, constructifs et prometteurs.

<footnote n="5">⁵ https://www.soiltempproject.com</footnote>
Ce projet est rendu possible par les soutiens financier et humain de la Fédération Léo Lagrange<fnref n="6" />,
financeur d'une étude complémentaire pour intégrer des Géonautes (services civiques
d'apprentis chercheurs) dans des projets locaux. Nous les remercions.

Références

Gril E (2024) Modelling forest microclimate and its consequences on understory flora under climate change, thèse de l'Université de Picardie Jules Verne.

Ogee J., (2020) Climat, espèces et adaptation : le rôle de la gestion forestière. The Conversation. [Climat, espèces et adaptation : le rôle de la gestion forestière](theconversation.com)

Gaudio N, Gendre X, Saudreau M, Seignier V, Balandier P. (2017) Impact of tree canopy on thermal and radiative microclimates in a mixed temperate forest: A new statistical method to analyse hourly temporal dynamics. *Agricultural and Forest Meteorology*. Vol. 237-238, 1 May 2017, pp. 71-79.

<footnote n="6">⁶ https://www.leolagrange.org</footnote>
# Survie de bactéries multirésistantes (BMR) sur des bois bruts de Douglas et de Pin maritime.

TAISNE Audrey¹, AVIAT Florence², MINTSA Morel Essono³, BELLONCLE Christophe³, PAILHORIES Hélène¹,⁴

¹Centre Hospitalier Universitaire, Laboratoire de bactériologie-hygiène, Angers, France,

²Your Research-Bio-Scientific, Le Landreau, France,

³Ecole Supérieure du Bois, Laboratoire Innovation Matériau Bois Habitat (LIMBHA), Nantes, France,

⁴Université d'Angers, Laboratoire HIFIH, UPRES EA3859, SFR 4208, Angers, France
christophe.belloncle@esb-campus.fr

**Mots clefs** : contamination bactérienne, bactéries multirésistantes, propriétés antibactériennes, *Pseudotsuga menziesii*, hygiène

## Contexte et objectif

Le bois est un matériau renouvelable, récemment mis en avant pour son impact positif sur le stress et les paramètres physiques des patients dans les bâtiments de santé (Burnard and Kutnar 2015, Kotradyova et al 2019). Cependant, ces derniers doivent respecter des normes d'hygiène spécifiques. En France, les normes NF ISO 14644 partie 4 et 9 (AFNOR a, b) sur les salles propres et les environnements maitrisés (incluant certaines parties des établissements de santé) suggèrent l'utilisation de surfaces lisses et non poreuses, excluant généralement le bois en raison de sa porosité. Pourtant, des études récentes ont montré que certaines essences de bois, comme le Chêne et le Douglas, possèdent des propriétés antibactériennes (Chen et al., 2020). Ces propriétés peuvent limiter la survie et la transmission des micro-organismes responsables des infections nosocomiales (Munir et al 2021).

L'objectif de ce travail est d'étudier la survie des bactéries multirésistantes (BMR) sur plusieurs matériaux incluant deux essences de bois.

## Méthodes

La survie de *Klebsiella pneumoniae* ATCC700603 (Kpn) productrice de bêtalactamase à spectre étendu et d*Enterococcus faecalis* ATCC 51299 (Ef) résistant aux glycopeptides a été évaluée sur des échantillons de bois, issus du duramen, de 10 mm de diamètre de *Pseudotsuga menziesii* (Douglas) et de *Pinus pinaster* (Pin maritime), et comparés à de l'acier inoxydable et à de la pierre ponce, ainsi que vis-à-vis de *Pseudotsuga menziesii* recouvert d'un vernis antibactérien (à base de nitrate d'argent). La désinfection des surfaces (solution d'Ecoseptol Foam) est également testée. Un inoculum de 10⁸ bactéries a été déposé sur chaque matériau et la survie bactérienne a été mesurée sur 15 jours (Fig. 1). L'analyse statistique est effectuée par le test de Kruskal Wallis suivi du test de Dunn (comparaison multiple) en utilisant XLSTAT (Addinsoft, Paris). Une version détaillée en anglais a été publiée dans Scientific Report (Taisne et al 2024).

## Résultats

La distribution des numérations bactériennes est significativement plus faible de J0 à J15 pour les deux BMR sur Douglas (Fig. 2A, 2B) par rapport à l'acier inoxydable (Ef p = 0,003 ; Kpn p
= 0,005) ou à la pierre ponce (Ef p = 0,017 ; Kpn p = 0,031). De plus, le temps de survie de *Klebsiella pneumoniae* est plus court que celui d'*Enterococcus faecalis* sur les matériaux.

Aucune différence significative de survie des deux BMR n'a été constatée entre le Pin maritime et l'acier inoxydable (Ef p > 0,12 ; Kpn p > 0,36) (Fig. 2C, 2D), ni entre le Douglas verni et les deux autres matériaux (p>0,1). Aucune survie bactérienne n'a été détectée sur le Douglas après application du protocole de désinfection.

<figure><img src="image_206.png" /><figcaption>Fig. 1 : Schéma expérimental</figcaption></figure>

<figure><img src="image_207.png" /></figure>

<figure><img src="image_208.png" /></figure>

<figure><img src="image_209.png" /></figure>

<figure><img src="image_210.png" /><figcaption>Fig. 2 : Numérations bactériennes de *Klebsiella pneumoniae* (A, C) et d'*Enterococcus faecalis* (B, D) en unités formatrices de colonies (CFU) récupérées à partir de différents matériaux (Stainless steel : acier ; Pumice stone : pierre ponce ; Douglas fir : *Pseudotsuga menziesii* ; Maritime pine : *Pinus pinaster* ; Varnished Douglas Fir : *Pseudotsuga menziesii* vernis antibactérien)</figcaption></figure>
Ces travaux confirment les résultats obtenus précédemment sur l'activité antibactérienne variable d'une espèce de bois à une autre (Munir et al 2019). Le Douglas montre ici une activité antibactérienne du même ordre que le Chêne, supérieure à celle du Peuplier ou du Pin maritime. Les propriétés physiques (comme la porosité) et la composition chimique (comme les terpènes, les flavonoïdes) des différentes espèces sont souvent citées comme influençant ces différents effets antibactériens (Munir et al 2021). La comparaison entre le bois et la pierre ponce apporte ici une réponse quant à l'influence faible de la porosité du bois sur le développement bactérien.

## Conclusion

*Pseudotsuga menziesii* est intéressant en milieu hospitalier pour ces propriétés antibactériennes naturelles sur bactéries multirésistantes. L'application de traitements antibactériens par vernis sur le bois de Douglas a réduit son efficacité par rapport au bois brut, tandis que la désinfection itérative a empêché la colonisation bactérienne. Des études complémentaires sont nécessaires pour préciser ces propriétés, et le cas échant son comportement dans le cadre d'un processus de désinfection à long terme.

## Remerciements

Les auteurs remercient le CODIFAB pour le co-financement de ces travaux (ESaBII 2022-2023).

## Références

AFNOR (2022a) Salles propres et environnements maîtrisés apparentés - Partie 4 : conception, construction et mise en service.

AFNOR (2022b) Salles propres et environnements maîtrisés apparentés - Partie 9 : Evaluation de la propreté des surfaces par la concentration de particules.

Burnard MD, Kutnar A (2015) Wood and human stress in the built indoor environment: a review. Wood science and technology 49, 969-986.

Chen J-C, Munir MT, Aviat F, Lepelletier D, Le Pape P, Dubreil L, Irle M, Federighi M, Belloncle C, Eveillard M, Pailhoriès H (2020) Survival of Bacterial Strains on Wood (Quercus petraea) Compared to Polycarbonate, Aluminum and Stainless Steel. Antibiotics 9, 804. https://doi.org/10.3390/antibiotics9110804

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.

Munir MT, Pailhoriès H, Aviat F, Lepelletier D, Pape PL, Dubreil L, Irle M, Buchner J, Eveillard M, Federighi M, Belloncle C (2021) Hygienic Perspectives of Wood in Healthcare Buildings. Hygiene 1, 12-23. https://doi.org/10.3390/hygiene1010002

Munir MT, Pailhoriès H, Eveillard M, Aviat F, Lepelletier D, Belloncle C, Federighi M (2019) Antimicrobial Characteristics of Untreated Wood: Towards a Hygienic Environment. Health 11, 152-170. https://doi.org/10.4236/health.2019.112014

Taisne A, Aviat F, Essono Mintsa M, Belloncle C, Pailhoriès H (2024) The survival of multi-drug resistant bacteria on raw Douglas fir material. Sci Rep 14, 3546. https://doi.org/10.1038/s41598-024-53983-4
# Amélioration de la résolution de cartographie térahertz par méthode de déconvolution

MARC Caroline, MARCON Bertrand, DENAUD Louis, GIRARDON Stéphane, ROUX Benjamin

Arts et Metiers Institute of Technology, LaBoMaP, Université Bourgogne Franche-Comté, F-71250 Cluny, France

Caroline.Marc@ensam.eu

**Mots clefs** : Térahertz, Imagerie, Densitométrie, Déconvolution, Réseau de neurones

## Contexte et objectifs

Les systèmes d'imagerie par ondes térahertz (THz) suscitent un intérêt croissant dans de nombreux domaines, notamment pour l'analyse non destructive de matériaux tels que les bois, et ce grâce à leur bonne pénétrabilité, en tant que matériaux diélectriques, et leur caractère non-ionisant. Des essais préliminaires visant à démontrer la faisabilité de l'utilisation d'ondes THz pour la mesure de la masse volumique du bois, dans le but de remplacer les mesures par rayons X qui sont ionisantes, montrent des résultats très prometteurs (Marc et al 2023). Cependant, l'une des principales limitations de ces systèmes réside dans leur résolution spatiale, qui dépend directement de la longueur d'onde utilisée. En particulier, les systèmes d'émission THz employant des ondes millimétriques cohérentes génèrent un faisceau gaussien, tels que modélisé par Dickson (1970) et illustré à la Fig. 1b, différents d'un faisceau idéalement focalisé comme illustré à la Fig. 1a.

<figure><img src="image_211.png" /><figcaption>Fig. 1 : (a) Focalisation idéale ; (b) Faisceau gaussien ; (c) Représentation du spot gaussien et de son profil, LMH = Largeur à Mi-Hauteur</figcaption></figure>

Lorsqu'un objet réel $I_0$ est capturée avec un système d'imagerie ayant une fonction d'étalement de point PSF (Point Spread Function en anglais) en présence d'un bruit additif indépendant $n$, l'image observée résultante $I$ répond à l'équation suivante :

$$I(x, y) = I_0(x, y) \otimes \text{PSF} + n(x, y) \quad (1)$$

La PSF d'un système décrit la réponse d'un système d'imagerie à un objet ou une source ponctuelle. Dans le cas du système d'imagerie THz étudié, la PSF correspond au spot gaussien schématisé sur la Fig. 1c. La convolution de cette PSF avec l'image réelle entraîne un flou dans les cartographies acquises, compliquant l'observation de certains détails, comme les variations de densité au sein des cernes annuels.
La déconvolution est un procédé visant à inverser les effets de la convolution. L'objectif de cette étude est donc de déconvoluer les cartographies THz afin de restaurer de façon optimale les détails et contrastes de ces images. La première étape sera la caractérisation de la PSF. Une fois celle-ci connue, plusieurs méthodes de déconvolution seront éprouvées sur des cartographies THz d'échantillons de douglas (Pseudotsuga menziesii), en utilisant les cartographies obtenues par imagerie rayons X comme référence.

## Matériels et méthodes

### Echantillons mesurés

Pour cette étude, 8 échantillons de douglas ont été étudiés. Ces échantillons proviennent d'une coupe radiale, ce qui permet d'observer dans le plan de la mesure l'alternance de densité intra-cerne entre bois initial et bois final, particulièrement marquée chez le douglas, et donc a priori visible sur les mesures présentées par la suite. Ils mesurent 130 mm (L) × 60 mm (R), avec une épaisseur de 3 mm (T) pour la moitié des échantillons et de 5 mm pour l'autre moitié. Afin de faciliter la comparaison entre les différentes méthodes de mesures, tous les échantillons sont percés ($Ø = 6$ mm) dans trois de leurs coins, permettant d'ajuster les différentes cartographies entre elles.

### Systèmes de mesure

Les échantillons sont tout d'abord scannés à l'aide d'un scanner optique industriel équipé, entre autres, d'un système d'imagerie par transmission de rayons X. Ce processus a généré des cartographies bidimensionnelles en niveaux de gris de 12 bits (i.e. de 0 à 4095). Ces niveaux de gris sont directement proportionnels à l'intensité du rayonnement X transmis et, par conséquent, liés à la masse volumique selon la loi de Beer-Lambert (Kim et al 2006). Ainsi, les cartographies obtenues par imagerie rayons X serviront de référence pour la comparaison avec les mesures par rayonnement THz.

Celles-ci sont effectuées à l'aide d'un système d'imagerie THz en transmission, illustré sur la Fig. 2, composé d'une source (TeraSchottky, Lytid) émettant à 136 GHz, d'un détecteur (TeraPyro, Lytid), d'optiques, et d'un système permettant de déplacer l'échantillon dans le plan focal pour obtenir des cartographies de résolution 1 mm × 1 mm.

<figure><img src="image_212.png" /><figcaption>Fig. 2 : Schéma du système de mesure THz</figcaption></figure>

### Estimation de la résolution spatiale du système de mesure THz

Pour estimer le profil du faisceau, et plus particulièrement caractériser le spot THz au niveau du plan focal, le test du couteau (Chiu et Pan 2007, Khosrofian et Garetz 1983) a été effectué. Cette méthode, schématisée sur la Fig. 3, consiste en l'obstruction progressive du faisceau à l'aide d'une lame métallique (mince et parfaitement opaque aux ondes THz), afin de pouvoir corréler l'intensité du signal perçu par le détecteur à la position de la lame. A une hauteur $z$ fixe, l'intensité détectée en fonction de la position de l'extrémité de la lame (croix orange sur la Fig. 3) correspond à la primitive du profil d'intensité locale du faisceau. Le profil d'intensité du faisceau permet de calculer l'écart-type $σ$ de la PSF et le diamètre du spot, comme exposé à la Fig. 1c. Pour cette étude, le couteau a été déplacé en $Z$ avec un pas de 5 mm entre les deux
lentilles bornant la zone de focalisation, et en X avec un pas de 1 mm sur une longueur égale au diamètre des lentilles. Cette opération a ensuite été répétée mais cette fois en déplaçant le couteau dans le plan (Y, Z), pour vérifier la circularité du faisceau.

<figure><img src="image_213.png" /><figcaption>Fig. 3 : Schéma simplifié du fonctionnement du test du couteau</figcaption></figure>

<figure><img src="image_214.png" /><figcaption>Fig. 4 : Architecture du réseau de neurones pour la déconvolution (inspiré de Xu et al 2014)</figcaption></figure>

## Méthodes de déconvolution

Une fois la PSF déterminée, différentes approches de déconvolution ont été appliquées pour restaurer les cartographies THz. Trois méthodes ont été comparées : deux méthodes de référence, très couramment utilisées pour les déconvolutions non-aveugle (i.e. avec une PSF connue), qui sont la méthode de Wiener (1949) et l'algorithme de Richardson-Lucy (RL) (Lucy 1974, Richardson 1972), ainsi qu'une méthode de déconvolution par réseau de neurones convolutifs (CNN).

La méthode de déconvolution par CNN utilisée dans cette étude s'inspire de celle proposée par Xu et al (2014), également utilisée par Ljubenović et al (2020) pour des images THz. L'architecture du réseau, illustrée sur la Fig. 4, est conçue pour imiter certaines caractéristiques des méthodes classiques de déconvolution, notamment la décomposition en valeurs singulières (SVD) (Hendler et Shrager 1994), tout en bénéficiant de l'apprentissage automatique. Les deux premières couches appliquent des convolutions avec des noyaux orientés horizontalement et verticalement pour extraire les variations directionnelles de l'image. La dernière couche réalise une convolution avec un grand noyau carré, permettant une reconstruction globale. Contrairement à la SVD, où les filtres sont statiques, ici ils sont optimisés pendant l'entraînement, ce qui rend la méthode plus flexible et adaptée aux spécificités des images THz.

Pour entraîner et évaluer le réseau, un jeu de données composé de couples d'images « dégradées » (image d'entrée) et de leurs équivalents « nettes » (image de vérité terrain) a été créé. Etant donnée la haute résolution du système de mesure par rayons X, la large base de données de scans RX de planches disponibles au LaBoMaP a été utilisée pour confectionner ce jeu de données. Les cartographies de 1230 planches d'essences diverses (thuya, chêne, hêtre, épicéa, douglas et balsa) ont été normalisées entre 0 et 1 puis débruitées avant d'être découpées en 16 058 images de 128 × 128 px², constituant ainsi le lot d'images de vérité terrain. Le lot d'images d'entrée est lui obtenu en convoluant ces images avec la PSF déterminée à l'étape précédente.

Le jeu de données est divisé en trois parties : données d'entraînement (64%), données de validation (16%) et données de test (20%). Les données d'entraînement servent à ajuster les poids du modèle, les données de validation permettent d'évaluer les performances en cours d'entraînement et de prévenir le surapprentissage. Les données de test estiment les performances finales du modèle sur des données non-traitées par l'algorithme d'apprentissage.
# Résultats et discussions

## Estimation de la PSF

Les résultats des tests du couteau effectués dans les directions X et Y sont illustrés dans la Fig. 5, et les caractéristiques de la PSF qui en ont été extraites sont exposées dans le Tab. 1. Les profils de la PSF dans les directions X et Y sont sensiblement différents, avec des diamètres de spot qui diffèrent d'environ 0,5 mm. Cet écart est possiblement dû à une réelle asymétrie du faisceau, peut-être causée par les lentilles ou la source elle-même, mais peut être également expliqué par les différentes conditions entre les deux mesures, qui n'ont notamment pas été effectuées le même jour. Pour le reste de cette étude, l'écart entre les deux mesures sera considéré comme négligeable, et le spot comme parfaitement circulaire. L'écart-type utilisé par la suite sera la moyenne des deux écart-types calculés. Par ailleurs, la profondeur de champ (cf Fig. 1) s'est révélée complexe à déterminer précisément à cause de l'irrégularité du diamètre du faisceau observable sur la partie gauche de la Fig. 5, qui semble être due à des cavités de Fabry-Pérot (Colegrave et Abdalla 1981), mais reste nettement supérieure (minimum 15 mm) à l'épaisseur des échantillons étudiés (maximum 5 mm).

<figure><img src="image_215.png" /><figcaption>Fig. 5 : Résultats des tests du couteau et profils expérimentaux et théorique de la PSF</figcaption></figure>

<table><caption>Tab. 1 : Caractéristiques de la PSF mesurée dans les directions X et Y</caption><thead><tr><td>Axe</td><td>σ (mm)</td><td>Ø Spot (mm)</td></tr></thead><tbody><tr><td>X</td><td>1,96</td><td>8,46</td></tr><tr><td>Y</td><td>1,82</td><td>7,92</td></tr></tbody></table>

## Résultats de la déconvolution

Les cartographies obtenues par rayons X et par THz, ainsi que les résultats des différentes méthodes de déconvolution, pour un des échantillons de douglas de 5 mm d'épaisseur, sont présentées sur la Fig. 6. La photographie de l'échantillon permet de relever 9 cernes annuels, ce qui est également le cas de la cartographie RX. En revanche, la cartographie originale THz ne permet pas de toutes les discerner, le diamètre du spot THz étant plus large que la largeur de certains cernes. Toutefois, la déconvolution permet d'en restaurer certaine, comme cela est visible dans les zooms de la Fig. 6. Une amélioration de la résolution est observable pour les 3 méthodes, et en particulier pour la déconvolution de Wiener, où 9 cernes sont également clairement observables.

D'un point de vue qualitatif, les cartographies THz déconvolées semblent donc se rapprocher de la référence, obtenue par RX. Concernant le point de vue quantitatif, la Fig. 7 permet d'observer le coefficient de détermination de la régression linéaire entre RX et THz par échantillon. Tout d'abord, il est notable que, avec ou sans déconvolution, les R² sont meilleurs pour les échantillons les plus fins. Pour les échantillons de 5 mm d'épaisseur, les valeurs de R² pour les THz déconvolés sont relativement similaires aux valeurs des THz convolues, il n'y a
pas d'amélioration remarquable due à la déconvolution. En revanche, pour les échantillons de 3 mm d'épaisseur, à l'exception de la méthode de Richardson-Lucy, la déconvolution améliore grandement la corrélation RX-THz. En effet, sur les 4 échantillons les plus fins, la déconvolution par CNN améliore les R² de 14 points en moyenne, et de 25 points pour la déconvolution de Wiener, ce qui double quasiment les valeurs d'origines.

<figure><img src="image_216.png" /><figcaption>Fig. 6 : Photographie d'un échantillon (n°6) de douglas de 5 mm d'épaisseur et de sa tranche, sa cartographie obtenue par rayons X et par THz, et les résultats de la déconvolution de 3 manières différentes (réseau de neurones, Wiener et Richardson-Lucy)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_217.png" /><figcaption>Fig. 7 : Coefficients de détermination entre les cartographies rayons X et THz, pour chaque échantillon, et pour chaque méthode de déconvolution</figcaption></figure>

Les cartographies présentées à la Fig. 6, qui sont pourtant visiblement similaires les unes des autres, sont celles de l'échantillon 6-5, qui possède le R² le plus bas, proche de zéro. Cette faible valeur, et celles des autres échantillons de 5 mm, pourrait s'expliquer de par la discontinuité du milieu traversé par l'onde au sein de l'échantillon due à l'inclinaison de cerne par rapport à l'axe Z (débit difficilement parfaitement radial), comme cela est visible sur la photographie de la tranche à la Fig. 6. Les différences d'interaction onde-matière entre les RX et les THz font alors que les 2 types de scans donnent des résultats différents pour un milieu non-uniforme, et à inclinaison de cerne constante, cette non-uniformité est logiquement plus visible chez les échantillons les plus épais.

## Conclusions et perspectives

Cette étude a démontré le potentiel des systèmes d'imagerie THz pour évaluer la masse volumique du bois de manière non destructive. Bien que les cartographies obtenues se rapprochent des mesures de référence par rayons X, la résolution spatiale limitée par la PSF du faisceau THz engendre une dégradation perceptible. Les méthodes de déconvolution testées (Wiener, Richardson-Lucy, CNN) ont amélioré la qualité des cartographies, en particulier la
déconvolution de Wiener, qui a montré les meilleurs résultats. Cependant, l'efficacité de la déconvolution dépend fortement de la précision de la modélisation de la PSF. Les perspectives incluent une meilleure caractérisation du faisceau, ainsi qu'une amélioration du CNN, en optimisant l'architecture du réseau et en enrichissant le jeu de données d'entraînement.

## Remerciements

Cette étude a été réalisée dans le cadre de la thèse financée par l'ANR BOOST (ANR-21-CE43-0008-02). Les auteurs remercient également la plate-forme technique Xylomat financée par l'ANR-10-EQPX-16 XYLOFOREST qui largement été utilisée pour réaliser cette étude.

## Références

Chiu Y, Pan J-H (2007) Micro knife-edge optical measurement device in a silicon-on-insulator substrate. Opt. Express 15, 6367. https://doi.org/10.1364/OE.15.006367

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# Comparaison des polluants émis par les briquettes combustibles produites à base de la sciure de bois carbonisée à celles du charbon de bois traditionnel.

NGANKO Junior¹², KOFFI Ekoun Paul Magloire<fnref n="1" />, GBAHA Prospère<fnref n="1" />, YAO Benjamin Kouassi¹²

**Mots clefs** : Briquettes combustibles ; sciure de bois ; déforestation ; émissions polluantes.

## Introduction

Le bois, le charbon de bois et les déchets de récoltes sont les combustibles solides couramment utilisés dans les pays en développement pour la cuisine et le chauffage domestique. Cependant, ils sont responsables de la pollution de l'air intérieur (HEI 2020). Les intoxications par inhalation ou par exposition aux gaz dégagés sont causées par leur combustion à l'intérieur (WHO 2014). Cependant, il est utilisé par environ 3,6 milliards de personnes à travers le monde (Lai et al. 2020). En Afrique subsaharienne, environ 70 % de la population se sert de la biomasse traditionnelle, principalement du bois de chauffage et de son charbon pour la cuisson quotidienne (Ajieh et al 2021, Piabuo et Puatwoe 2020). Jusqu'à présent, l'évaluation des polluants émis par l'utilisation des briquettes combustibles n'a pas suscité d'intérêt. Afin de pallier cette lacune, cette recherche examine et compare les émissions de CO₂ des briquettes combustibles et du charbon de bois. Afin d'atteindre cet objectif, on utilise le LEMS associé au test d'ébullition de l'eau. Les conclusions tirées permettront d'approfondir la compréhension des défis associés à l'utilisation des briquettes combustibles, en particulier ses bénéfices pour le climat et la santé des utilisateurs.

## Méthodologie

La Fig. 1 présente la synthèse méthodologique déployée pour évaluer et comparer les émissions de dioxyde de carbone des briquettes combustibles à celles du charbon de bois communément utilisés par les ménages.

<footnote n="1">¹Institut National Polytechnique Felix Houphouët Boigny de Yamoussoukro (INP – HB)</footnote>

<footnote n="2">²Centre d'Excellence d'Afrique pour la Valorisation des déchets en Produits à haute Valeur ajoutée (CEA - VALOPRO)</footnote>

<footnote>[juniorganko@gmail.com](mailto:juniorganko@gmail.com)</footnote>
<figure><img src="image_218.png" /><figcaption>Fig. 1 : Synthèse méthodologique</figcaption></figure>

## Résultats et discussion

Les courbes des Fig. 2a et 2b illustrent les émissions de dioxyde de carbone (CO₂) des briquettes combustibles et du charbon de bois respectivement.

Au début du test, les émissions des biocombustibles dépassent celles du charbon de bois. Cette observation peut être attribuée au taux élevé d'absorption du pétrole lampant par les biocombustibles, où une quantité équivalente à 5% de la masse du combustible est utilisée pour l'allumage. Les briquettes ont totalement absorbé le pétrole lampant, tandis que le charbon de bois l'a partiellement absorbé après la même durée d'imprégnation. Ce taux d'absorption élevé peut s'expliqué par la porosité plus élevée des briquettes combustibles par rapport au charbon de bois car (Anovitz & Cole, 2015) ont rapportés que le taux d'absorption d'un combustible dépend fortement de sa porosité. Les CO₂ émis étaient compris entre 2 ± 0,212 et 129 ± 1,41 g/MJ<sub>délivré</sub> pour les briquettes combustibles et le charbon respectivement. Les tests statistiques de Bravais - Pearson ont montré une forte corrélation entre les émissions polluantes et certaines propriétés des combustibles.

## Remerciements

Ce travail a reçu le soutien financier de l'Agence Française de Développement (AFD) à travers le Centre d'Excellence d'Afrique pour la valorisation des déchets en produits à haute valeur ajoutés (CEA - VALOPRO).
<figure><img src="image_219.png" /><figcaption>Fig. 2 : Courbes d'émission du dioxyde de carbone</figcaption></figure>

Références

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# Eco-friendly biocomposites: green chemistry approaches for sustainable furniture and thermal insulation

MOHAMMED Wadah<fnref n="1" />,<fnref n="2" />,<fnref n="3" />, OSMAN Zeinab<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, ELARABI Salah<fnref n="3" />, MEHATS Jérémy<fnref n="1" />, CHARRIER Bertrand<fnref n="1" />

**Key words:** sustainable furniture; eco-friendly bio-insulation; sugarcane bagasse; kenaf bast fibres; cotton stalks; casein, tannins.

## Context and objectives

Biomass residues from agricultural waste, such as crop and wood wastes, straw, and bagasse, have garnered significant attention as a sustainable resource for producing composite materials. These materials offer advantages in cost efficiency, environmental sustainability, and renewability (Saeed et al 2017). Particleboards, commonly used as alternatives to solid wood or plywood, are popular due to their cost-effectiveness and widespread availability (Gumowska et al 2021, Holt et al 2014). In 2020, global particleboard production reached 96.01 million m<fnref n="3" />, and 102 million m<fnref n="3" /> in 2023, with China being the largest producer, followed by Germany, Poland, and other European nations (Hua et al 2022). Global market world in 2023 is 24,2 billion USD and expanding at an annual growth of 3.9% during 2024–2032. The market growth is attributed to the high demand for cost-effective and eco-friendly furniture across the globe.

The production process typically involves adhesives like urea-formaldehyde (UF) resin, widely used for its versatile properties in the furniture industry (Baharoğlu et al 2012). However, bio-based adhesives, such as tannin and casein, are gaining attention as eco-friendly alternatives due to their low or zero formaldehyde emissions (Ndiwe et al 2019).

Mechanical and physical properties, such as flexural strength, water absorption, and tensile strength, are crucial for determining composite material applications (Kowaluk, et al 2017). These factors are influenced by the type of adhesive, fibres, and environmental conditions (Chiang et al 2014). Despite the growing demand for particleboards in furniture and construction (Nourbakhsh et al 2010), the carbon footprint of furniture production remains significant, with 47 kg of CO₂ equivalents generated per piece of furniture (Forrest et al 2017). This highlights the need for more sustainable solutions. While bagasse, cotton stalks, and kenaf have shown potential for producing particleboards, challenges remain in developing 100% green composites using natural matrices (Shahril et al 2020).

This study aims to explore the production of fully green particleboards for furniture and thermal insulation in the construction industry, comparing the properties of particleboards made from bagasse, cotton stalk, and kenaf fibres with natural adhesives like tannin and casein.

<footnote n="1">¹University of Pau and the Adour Region, E2S UPPA, CNRS, Institute of Analytical Sciences and Physico-Chemistry for the Environment and Materials-Xylomat, (IPREM-UMR5254), Mont de Marsan, 40004, France</footnote>

<footnote n="2">²Institute of Engineering Research and Materials Technology (IERMT), National Center for Research (NCR), Ministry of Higher Education and Scientific Research, Khartoum, 11111, Sudan</footnote>

<footnote n="3">³University of Gezira, Faculty of Industries Engineering and Technology, Gezira State, 21111, Sudan
Bertrand.charrier@univ-pau.fr</footnote>
# Material and methods

## Materials

Sugarcane bagasse was sourced from Al-Gunied Sugar Factory in Gezira State, Sudan. Kenaf was grown on the University of Gezira's demonstration farm. Kenaf bast fibres were extracted by peeling the stalks, soaking them in water for one week, then washing and drying them at room temperature. Cotton stalks were collected from the Gezira project. These fibres were used without additional treatments. Mimosa condensed tannin (Acacia) was provided by GREEN'ING Company.

Casein adhesive was sourced from Acros Organics. Hexamethylenetetramine (99%) and sodium bicarbonate were obtained from Fisher Scientific. All products were used as received.

## Methods

### Preparation of Fibres

Sugarcane bagasse was used without further processing, with particle sizes ranging from 10 to 20 mm. Cotton stalks and kenaf bast fibres were manually reduced to match this size and then dried in an oven at 105 °C for 24 hours to achieve a moisture content of 3%.

### Preparation of Bio-Based Adhesives

A 35% aqueous solution of spray-dried commercial mimosa tannins was prepared, with the pH raised to 9. To this, 6.5% hexamethylenetetramine was added as a hardener. Additionally, a 30% casein solution was mixed with 25% sodium bicarbonate (w/w of casein) as a hardener, using 15% of each adhesive based on the oven-dry weight of the fibres.

### Preparation and Testing of Particleboards

Particleboards were produced in the laboratory of the Department of Materials Science at the Technical University Institute of the University of Pau, the Adour Region (UPPA). Single-layer particleboards (dimensions: 340×340×20 mm³) were created using 15% tannin and casein adhesives. The pressing cycle involved a maximum pressure of 2.5 MPa, with varying pressing times of 60, 120, 240, and 480 seconds, at a temperature of 180 °C. Density profiles were measured using a GreCon DAX 5000 device. The panels were preconditioned at 20 °C and 65% humidity for three days to ensure uniform moisture content before testing. Mechanical properties, including internal bond (IB), modulus of elasticity (MOE), and modulus of rupture (MOR), were assessed following European standards (EN 319 and EN 310). Physical properties such as thickness swelling (TS) and water absorption (WA) were tested according to EN 317, and thermal conductivity was determined following EN 12664.

# Results and discussions

## Mechanical properties

Tab. 1 presents the results for modulus of rupture (MOR), modulus of elasticity (MOE), internal bond (IB), and densities of particleboards made from bagasse, cotton stalks, and kenaf bast fibers, using casein adhesive. Particleboards from bagasse and cotton stalks achieved the highest MOR and MOE values, surpassing EN 312-2 (1996) and EN 312-3 (1996) standards for furniture and interior fitments in dry conditions. These values, though slightly lower than those using treated fibers and synthetic adhesives, are comparable to panels made from bagasse with UF and PMDI adhesives. Casein adhesive offers environmental and cost benefits over synthetic alternatives.

The internal bond strength of bagasse and cotton stalks also met EN standards, demonstrating good mechanical performance at similar densities. However, the kenaf fiber boards showed
poor mechanical properties, failing to meet EN standards. This was likely due to the lower resin-to-fiber ratio and the low initial pressure applied during pressing. To improve kenaf board strength, using the whole kenaf stem instead of just bast fibers is suggested. Overall, casein adhesive shows promise, particularly with bagasse and cotton stalks, for applications like furniture, interior fitting, and insulation.

As shown in Tab. 1, all panels had good thermal conductivity(λ), below the EN standard of 0.12 W/m.K. Bagasse showed a conductivity of 0.082 W/m.K, cotton stalks 0.056 W/m.K and kenaf 0.089 W/m.K. These values are lower than those reported for fenugreek and hemp fibers (Pujari et al 2017), indicating effective heat insulation properties

<table><caption>Tab. 1: Mechanical properties for the panels made from the three fibers and Casein adhesives</caption><thead><tr><th>Fibres</th><th>MOR (N/mm²)<sup>a</sup></th><th>MOE (N/mm²)<sup>a</sup></th><th>IB (N/mm²)<sup>a</sup></th><th>λ (W/m. k)<sup>a</sup></th></tr></thead><tbody><tr><td>Bagasse</td><td>15.6 ± 0.67</td><td>2316 ± 130</td><td>0.39 ± 0.03</td><td>0.082 ± 0.002</td></tr><tr><td>Cotton stalks</td><td>14.4 ± 1.16</td><td>2230 ± 106</td><td>0.36 ± 0.04</td><td>0.056 ± 0.01</td></tr><tr><td>Kenaf bast fibers</td><td>2.8 ± 0.55</td><td>433 ± 55</td><td>0.07 ± 0.01</td><td>0.089 ± 0.007</td></tr><tr><td>Standard value</td><td>EN 310: 11 N/mm²</td><td>EN 310: 1600 N/mm²</td><td>EN 319: 0.35 N/mm²</td><td>EN 12664: 0.12 W/m.k</td></tr></tbody></table>

## Physical properties

Tab. 2 shows the thickness swelling (TS) and water absorption (WA) results for particleboards made from bagasse, cotton stalks, and kenaf bast fibres using casein adhesive after 24 hours of water immersion. The TS values for bagasse (14.4%) and cotton stalks (19.3%) slightly higher than the EN 312-3 (14%) value recommended for non-load-bearing boards in humid conditions. Kenaf fibre boards showed a significantly higher TS at 70.9%, which was expected due to the poor quality of adhesion between the fibres. WA values for bagasse, cotton stalks, and kenaf boards were 75%, 96.3%, and 192%, respectively. Differences in water absorption among the fibres can be attributed to variations in fibre type, adhesive, panel density, and manufacturing process. Overall, casein-based particleboards are more suitable for interior applications due to their tendency to swell and absorb moisture.

## Tannin-based particleboards

### Mechanical properties

Tab. 3 presents the MOR, MOE, and IB values for tannin-based particleboards made from three fibers. The MOR and MOE values were lower than those of casein-based boards and did not meet the EN 312-2 (1996) and EN 312-3 (1996) standards. This may be due to the acidic pH (pH 5) of the fibers, which affected the curing of tannins, typically cured at alkaline pH, leading to weaker mechanical properties. Osman et al (2009) previously reported this issue. Although the tannin adhesive pH was raised to 9, it auto condensed at room temperature, complicating application.

<table><caption>Tab. 2: Thickness swelling and water absorption for casein adhesive particleboards.</caption><thead><tr><th>Fibres</th><th>WA (%) 24ha</th><th>TS (%) 2ha</th><th>TS (%) 24ha</th><th>Density (kg/m3) a</th></tr></thead><tbody><tr><td>Bagasse</td><td>118 ± 14</td><td>8.9 ± 2.5</td><td>14.4 ± 4.36</td><td>613.75 ± 11.90</td></tr><tr><td>Cotton stalks</td><td>137 ± 13.5</td><td>9.3 ± 2.7</td><td>19.3 ± 3.92</td><td>606.25 ± 17.64</td></tr><tr><td>Kenaf bast fiber</td><td>214 ± 19.38</td><td>50.6 ± 3.66</td><td>70.9 ± 7.3</td><td>627.1 ± 24.21</td></tr></tbody></table>

<footnote>a Values are means ± SD.</footnote>

<footnote>Values are means ± SD.</footnote>
The thermal conductivity results (Tab. 3) for tannin-based particleboards made from bagasse, kenaf bast fibers, and cotton stalks were all below the EN standard of 0.12 W/m.K, making them suitable for insulation applications. These values suggest that the panels are a viable, healthier alternative to conventional insulation materials (Liu et al 2012).

<table><caption>Tab. 3: Mechanical properties for the panel are made from the three fibers and the tannins.</caption><thead><tr><th>Fibres</th><th>MOR (N/mm²)</th><th>MOE (N/mm²)</th><th>IB (N/mm²)</th><th>λ (W/m. k)<sup>a</sup></th></tr></thead><tbody><tr><td>Bagasse</td><td>8.8 ± 0.45</td><td>1263 ± 95</td><td>0.22 ± 0.07</td><td>0.057 ± 0.009</td></tr><tr><td>Cotton stalks</td><td>8.4 ± 0.77</td><td>1401 ± 117</td><td>0.21 ± 0.04</td><td>0.050 ± 0.012</td></tr><tr><td>Kenaf bast fibre</td><td>1.6 ± 0.29</td><td>577 ± 102</td><td>0.04 ± 0.35</td><td>0.083 ± 0.005</td></tr><tr><td>Standard value</td><td>EN 312:2: 11 N/mm²</td><td>EN 312:2: 1600 N/mm²</td><td>EN 312:2: 0.35 N/mm²</td><td>EN 12664: 0.12 W/m. k</td></tr></tbody></table>

a Values are means ± SD.

## Physical properties

Tab. 4 shows the TS and WA results for tannin-based particleboards. The TS values for cotton stalk and bagasse met EN 312:3 standards, while kenaf bast fibers recorded the highest value, though lower than when used with casein adhesive. All panels exhibited high water absorption due to the hydrophilic nature of cellulosic fibers, which reduces moisture resistance (Sahu et al 2022). The internal bond strength (IB) also influences physical properties, as stronger bonds reduce panel porosity, improving water resistance, as noted by Paridah et al 2014. Tannin-based boards demonstrated better physical properties compared to casein-based ones, likely due to tannin's higher water resistance and differences in board density.

<table><caption>Tab. 4: Water absorption and thickness swelling for tannin particleboards.</caption><thead><tr><th>Fibres</th><th>WA (%) 24ha</th><th>TS (%) 24ha</th><th>Density (kg/m3) a</th></tr></thead><tbody><tr><td>Bagasse</td><td>110.3 ± 13</td><td>7.4 ± 3.5</td><td>633.75 ± 15.70</td></tr><tr><td>Cotton stalks</td><td>115.3 ± 14.5</td><td>10.3 ± 3.3</td><td>616.25 ± 19.31</td></tr><tr><td>Kenaf bast fibers</td><td>193.1 ± 17</td><td>48.6 ± 5.9</td><td>657.10 ± 31.46</td></tr><tr><td>Standard</td><td colspan="3">EN 312:3 =14%</td></tr></tbody></table>

Values are means ± SD.

## Conclusion and perspectives.

The study examined the mechanical, physical, and thermal properties of particleboards made from bagasse, cotton stalks, and kenaf bast fibers using casein and tannin adhesives. Key findings include:

- The production of 100% green and sustainable panels from bagasse and cotton stalks met European standards for furniture, thermal insulation, and interior applications, without fiber pretreatment.

- Kenaf bast fibers' light weight and larger volume resulted in panels with inferior mechanical properties.

- Casein adhesive outperformed tannins in mechanical properties, with higher modulus of rupture (MOR), modulus of elasticity (MOE), and internal bond (IB) values. Tannin adhesives are more effective in alkaline conditions, suggesting a need to adjust the fiber's acidic pH to prevent auto-condensation.

- Whole stalks of kenaf may improve mechanical properties and will be explored in future research.
- Both casein and tannin particleboards satisfied EN 12664 thermal conductivity standards, confirming their potential for bio-insulation materials.

## Acknowledgements

This research study has been jointly funded by the Ministry of Higher Education and Scientific Research, Sudan, and Institute of Analytical Sciences and Physico-Chemistry for the Environment and Materials-Xylomat, (IPREM-UMR5254), ¹University of Pau and the Adour Region, E2S UPPA, CNRS France.

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# De l'utilisation de la colophane comme adhésif pour panneaux de particules

LACOSTE Clément<fnref n="1" />, VIRETTO Amandine<fnref n="2" />,<fnref n="3" />, RIO Samy<fnref n="4" />

**Mots clefs** : panneaux bois ; biopolymère ; adhésion ; gemme ; pin maritime

## Contexte et objectifs

La préoccupation mondiale concernant l'épuisement des ressources fossiles, l'augmentation progressive des déchets et de l'empreinte carbone des produits manufacturés ont accru l'intérêt pour l'utilisation de nouvelles matières biosourcées et durables pour élaborer des biomatériaux. Le secteur des panneaux bois a connu une forte croissance ces dernières années dans toute l'Europe et la recherche de solutions nouvelles pour des colles biosourcées, moins nocives et sans formaldéhyde, adaptées aux procédés de mise en forme industriels et répondant aux exigences normatives pour les usages des panneaux constitue un enjeu majeur.

En France, la filière bois se concentre majoritairement sur l'exploitation des bois de résineux dans tous les secteurs d'applications de la filière (construction, ameublement, etc...). A l'instar du bois, les cônes ou la résine de ces essences peuvent également trouver des voies de valorisation et constituer une activité complémentaire pour les sylviculteurs. Dans les Landes au 18ème et 19ème siècle, le gemmage, qui consiste à récolter de la résine des pins à l'aide d'une incision réalisée sur l'écorce des arbres, est une pratique très importante (Bousseau 2021, Chadda et al 2020). Cependant, avec la concurrence d'autres pays producteurs comme la Chine et l'Indonésie, cette activité a fortement chuté dans les années 90 (Bousseau 2021). Aujourd'hui, la recherche de solutions de valorisation pour des applications à plus forte valeur ajoutée et représentant des volumes importants comme l'industrie des panneaux pourrait favoriser l'essor d'une filière locale autour du gemmage vers un modèle de bioéconomie.

La résine de pin, ou gemme, est constituée de deux composants majoritaires, en fraction massique moyenne de 70 % de colophane et 30 % d'essence de térébenthine (Fig. 1) qui peuvent être séparées après une étape de distillation.

<figure><img src="image_220.png" /><figcaption>Fig.1 : Produits issus du gemmage de pin maritime</figcaption></figure>

Si l'essence de térébenthine trouve des applications dans divers secteurs industriels tels que la parfumerie, la pharmacie et le secteur agroalimentaire, la colophane brute est peu utilisée (car sujette à l'oxydation) et est souvent modifiée chimiquement pour ses applications. Employée dans des applications dans divers secteurs tels que les encres et vernis, adhésifs, lubrifiants, l'ensimage papier, celle-ci manque de valorisation dans la filière bois avec une production qui

<footnote n="1">¹UPR PCH, IMT Mines Ales, Alès, France</footnote>

<footnote n="2">²CIRAD, UPR BioWooEB, F-34398 Montpellier, France.</footnote>

<footnote n="3">³BioWooEB, Univ Montpellier, CIRAD, Montpellier, France</footnote>

<footnote n="4">⁴Studio Rio, Arles, France</footnote>

<footnote>clement.lacoste@mines-ales.fr</footnote>
reste marginale en France malgré quelques programmes de relance de production tels que le programme BioGemme de la société Holiste dans les Landes avec une production d'environ 60 t/an, un programme dans la région Grand Est (Clopeau et Orazino 2021) et, plus récemment, une expérimentation dans la forêt cévenole (Bousseau 2021).

La colophane est composée à 90 % d'acides résiniques de formule brute $C_{20}H_{30}O_2$ dont majoritairement des acides abiétique et pimarique (Fig. 2), et de 10 % d'esters, d'aldéhydes et de cétones. Cette composition moyenne peut variée en fonction de facteurs inter-espèces (essences), morphologiques (diamètre du tronc, proportion de couronne), ou encore pédoclimatiques (température, sols, stress hydrique...) (Lopez-Alvarez et al 2023).

<figure><img src="image_221.png" /><figcaption>Fig. 2 : Structure chimique de l'acide abiétique (gauche) et pimarique (droite)</figcaption></figure>

La colophane, solide à température ambiante, est un thermoplastique sans toxicité et insoluble dans l'eau avec un point de ramollissement entre 90°C et 110°C selon sa composition, et possède une capacité à former des liaisons ioniques avec la matière organique (Wilson et al 2021). Ses propriétés adhésives et hydrophobes présentent un intérêt pour une utilisation en tant qu'adhésif pour le bois et les panneaux bois. Son caractère biosourcé et biodégradable en fait également un bon candidat pour la substitution des colles pétrosourcés (urée-formaldéhyde, phénol-formaldéhyde, isocyanates...) de l'industrie des panneaux.

La présente étude vise à développer un panneau de particules à partir de copeaux de bois de différentes essences et de différentes granulométries en utilisant de la colophane en poudre comme liant. Un procédé de mise en forme par thermocompression à sec a été développé spécifiquement pour la mise en forme des panneaux. Des premiers essais de caractérisations des propriétés mécaniques (flexion, résistance aux chocs) et thermiques (conductivité) ont été réalisés en vue d'un usage en milieu intérieur.

## Matériels et méthodes

### Matériaux utilisés

La colophane a été fournie par la société Biolandes (France) sous le nom commercial Biogemmes® et a été réduite en poudre manuellement à l'aide d'un mortier.

Trois types de copeaux bois ont été utilisés (Fig. 3) : i) des fibres de bois de résineux (mélange d'essences) fournis par Silvadec (France) noté F, ii) des copeaux de pin d'Alep (Pinus halepensis) issus de dégauchisseuse noté A, et iii) des copeaux de résineux (mélange d'essences) issus de scie circulaire noté R. Un panneau de particules commercial a été utilisé comme référence.

### Granulométrie

Les granulométries des 3 lots de copeaux bruts ont été analysés par tamisage en utilisant 11 tamis sur une plage de 4 mm à 0,2 mm empilés par ordre décroissant : 4 mm / 3,15 mm / 2,5 mm / 1,6 mm / 1 mm / 0,71 mm / 0,6 mm / 0,5 mm / 0,4 mm / 0,3 mm / 0,2 mm.
<figure><img src="image_222.png" /><figcaption>Fig. 3 : Copeaux de bois utilisés comme renfort: (a) fibres courtes de mélange résineux ; (b) copeaux de pin d'Alep issu de dégauchisseuse ; (c) mélange de résineux issus de scie circulaire.</figcaption></figure>

## Fabrication des panneaux de particules

La colophane a été réduite en poudre afin d'homogénéiser la distribution poudre/copeaux pour la formation d'un mélange à sec homogène. La poudre de colophane (8 - 20%) et les copeaux (80 - 92%) ont été mélangés par agitation dans un sac plastique étanche jusqu'à l'obtention d'un mélange homogène. Le mélange est alors déposé dans un moule en acier de section 10 x 10 cm² ou 30 x 30 cm² et 10 mm d'épaisseur puis compressor à 5 bars à une température de 130 °C pendant 20 min de manière continue à l'aide d'une presse hydraulique chauffante 100 T (DARRAGON, France). Les quantités des mélanges ont été adaptés en visant une masse volumique cible fixée à 750 kg.m⁻³. Après démoulage, les panneaux sont stockés en chambre climatique à 20 °C et 50 % d'humidité relative (HR) avant les tests.

Les formulations des panneaux sont résumées dans le Tab. 1.

<table><caption>Tab. 1 : Formulation des panneaux de copeaux bois/colophane</caption><thead><tr><th>Nomenclature du panneau</th><th>Type de renfort – section du moule</th><th>Aspect</th></tr></thead><tbody><tr><td>P_F</td><td>F (fibres courtes mélange résineux)</td><td></td></tr><tr><td>P_A</td><td>A (copeaux pin d'Alep)</td><td></td></tr><tr><td>P_R</td><td>R (copeaux mélange résineux)</td><td></td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_223.png" /></figure>

<figure><img src="image_224.png" /></figure>

<figure><img src="image_225.png" /></figure>

## Masses volumiques et porosité

La masse volumique apparente ($\rho_a$) des panneaux a été mesurée selon la norme EN 323 à 20°C et 50% HR et calculée selon l'équation (1) :

$$ \rho_a = m/V \quad (1) $$

avec m la masse de l'échantillon et V le volume du parallélépipède mesuré à l'aide d'un pied à coulisse (précision 0,01 mm). Un pycnomètre à hélium (AccuPyc 1330 Micrometrics, France)
a été utilisé pour déterminer la masse volumique vraie ($\rho_s$) des panneaux (en triplicata). La porosité a été déterminée à partir de l'équation (2) :

$$ \varphi = 1 - \frac{\rho_a}{\rho_s} \qquad (2) $$

## Conductivité thermique

La mesure de la conductivité thermique des panneaux a été réalisée à partir d'un conductivimètre FP2C (NEOTIM, France) à fil chaud (50 mm) pendant 100 s à 120 s sous une puissance de 0,07 à 0,09 W selon la masse volumique de l'échantillon.

## Propriétés mécaniques

Les propriétés mécaniques en flexion, ie les modules élastiques (MOE) et résistance à rupture (MOR), ont été déterminées selon la norme EN 310 sur une presse universelle (Zwick/Roell, Allemagne) équipée avec une cellule de force de 10 kN en appliquant une vitesse de déformation de 10 mm/min. La résistance à l'impact Charpy a été évaluée sur des barreaux non entaillés de 10 cm x 1 cm et d'environ 1 cm d'épaisseur à l'aide d'un mouton pendule HIT5P (Zwick/Roell, Allemagne), instrumenté d'un marteau 0,5 J.

## Résultats et discussion

Les copeaux utilisés possèdent des granulométries assez différentes pour chaque lot. Le lot R est relativement fin avec une granulométrie centrée sur 0,5 mm (74 wt.%). Le lot F possède une granulométrie intermédiaire avec une taille comprise entre 0,5 et 1,6 mm. Le lot A est plus grossier avec une granulométrie supérieure à 1,6 mm (78 wt.%). Ces derniers ont donc nécessité une compaction plus importante pour le moulage.

Les panneaux obtenus semblent relativement homogènes en épaisseur avec néanmoins la présence de tâches sur les faces montrant une répartition hétérogène du liant. Une étude plus approfondie sur la viscosité et le mouillage des copeaux par la colophane serait donc à envisager pour optimiser les propriétés des panneaux.

Les propriétés physiques, mécaniques et thermiques des panneaux obtenus sont reportées dans le Tab. 2.

<table><caption>Tab. 2 : Propriétés des panneaux bois/colophane</caption><thead><tr><th>Formulations</th><th>Densité apparente (kg.m<sup>-3</sup>)</th><th>Densité vraie (kg.m<sup>-3</sup>)</th><th>Porosité (%)</th><th>λ (W.m<sup>-1</sup>.K<sup>-1</sup>)</th><th>MOE (MPa)</th><th>MOR (MPa)</th><th>Résistance Choc (kJ/m<sup>2</sup>)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Référence commerciale</td><td>695 - 745</td><td>1389 ±1</td><td>46 - 50</td><td>0,17</td><td>2763 ±106</td><td>15,8 ±1,0</td><td>2,55 ±0,72</td></tr><tr><td>P_F</td><td>550 - 910</td><td>1271 ±2</td><td>28 - 59</td><td>0,14 - 0,19</td><td>4535 ±449</td><td>9,1 ±2,1</td><td>0,35 ±0,04</td></tr><tr><td>P_A</td><td>420 - 768</td><td>1299 ±1</td><td>41 - 68</td><td>0,092</td><td>1437 ±442</td><td>4,1 ±0,6</td><td>1,49 ±0,22</td></tr><tr><td>P_R</td><td>540 - 730</td><td>1367 ±4</td><td>47 - 60</td><td>0,12-0,15</td><td>1645 ±383</td><td>4,2 ±1,3</td><td>0,56 ±0,07</td></tr></tbody></table>

La conductivité thermique suit une relation linéaire avec la masse volumique apparente des panneaux. Les panneaux les plus denses, avec une masse volumique supérieure à 700 kg.m⁻³ voient leur conductivité dépasser les 0,1 W/m/K et ne peuvent donc plus être considérés comme isolant. Le panneau de copeaux de pin d'Alep, comportant des copeaux plus grossiers, est le panneau le plus poreux et donc le plus isolant avec une conductivité thermique de 0,092 W/m/K. La porosité intrinsèque des copeaux peut donc légèrement influencer les conductivités des panneaux de densités équivalentes.
Les propriétés mécaniques montrent que les panneaux à base de colophane sont plus souples que la référence commerciale, avec des modules élastiques inférieurs et des résistances en flexion et au choc moindres, excepté pour le panneau P_F de haute masse volumique. En effet, ce panneau très compact montre une très haute rigidité avec un module à 4535 ±449 MPa et une résistance en flexion de 9,1 ±2,1 MPa, ce qui est proche des exigences de la norme NF EN 312 pour les panneaux d'usage intérieur.

Par ailleurs, l'utilisation de copeaux de plus grandes longueurs permet d'améliorer significativement la résistance au choc des panneaux de colophane, avec une valeur mesurée à 1,49 ±0,22 kJ/m² pour le panneau P_A contre 0,35 ±0,04 kJ/m² pour le panneau P_F.

## Conclusion et perspectives

Différentes formulations ont été mis en œuvre pour obtenir des panneaux de particules entièrement biosourcés à partir de produits locaux et non toxiques, et de biomasses résiduelles disponibles. Bien que les propriétés mécaniques de ces premiers panneaux restent inférieures à celles des panneaux commerciaux, ces premiers résultats sont encourageants. Les axes d'amélioration sont nombreux et atteignables comme notamment le procédé de mise en œuvre qui permettra, après optimisation par plan d'expérience, de concurrencer les panneaux traditionnels collés à partir de polymères synthétiques, pétrosourcés et non biodégradables. Une meilleure connaissance des propriétés thermomécaniques de la colophane et de son adhésion sur les fibres lignocellulosiques permettrait d'élaborer de nouveaux produits bois d'ingénierie. Cette nouvelle voie de valorisation sera poursuivie dans le cadre d'un projet structurant en Cévennes visant au déploiement d'une micro-filière de gemmage.

## Remerciements

Les auteurs remercient la société Holliste, et les menuiseries « Bois et via » et « Pesin » pour la fourniture des matières premières. Les auteurs remercient chaleureusement les étudiants Elie Cheynel, Fanny Malatier et Pierre Sudre du Master Science du Bois de l'Université de Montpellier et les étudiants Adrien Duvacher et Léa Grison de l'IMT Mines Ales pour leurs investissements et diverses contributions sur les parties expérimentales.

## Références

Bousseau B (2021). Etude économique de faisabilité pour la création d'une micro-filière de gemmage en Cévennes (p. 30). CERIBOIS.

Chadda S, Herlidou A, Le Nouvel L (2020). Pré-étude de faisabilité pour la création d'une micro-filière PPAM à usage thermal et non thermal, à base de pin maritime cévenol (p. 42).

Clopeau A, Orazino C (2021). Analyse du secteur européen de la résine naturelle à travers sa chaîne de valeur. Rapport technique, Projet SUDFOREST.

Lopez-Alvarez O, Zas R, Marey-Perez M (2023). Resin tapping: a review of the main factors modulating pine resin yield. Ind Crops Prod 202, 117105.

Wilson M, Perrone A, Smith H, Norris D, Pargeter J, Eren M I (2021). Modern thermoplastic (hot glue) versus organic-based adhesives and haft bond failure rate in experimental prehistoric ballistics. Inter J Adhes Adhes, 104, 102717.
# Impact de la longueur déroulée sur les efforts appliqués par la barre de pression en micro-déroulage

<u>CURIAL Hugo</u>¹, <u>DENAUD Louis</u>¹, <u>VIGUIER Jeffrey</u>¹, <u>MARCON Bertrand</u>¹
<u>VERJAT Fabrice</u>¹

¹Arts et Métiers Institute of Technology, LaBoMaP, Université Bourgogne Franche-Comté,
[Hugo.Curial@ensam.eu](mailto:Hugo.Curial@ensam.eu)

**Mots clefs** : bois feuillus ; micro-dérouleuse expérimentale ; visualisation de la coupe ; effet de bord ; coupe orthogonale

## Contexte et objectif

Le secteur de la construction en bois fait actuellement essentiellement appel à des bois de résineux, dont la production nationale est largement inférieure aux besoins. En conséquence, la majeure partie du bois utilisé en construction est importé, ce qui contribue fortement au déficit de la balance commerciale qui s'accentue (7,1 milliards d'euros de déficit commercial en 2020 et 8,6 milliards d'euros en 2021 selon (Agreste 2022)). La forêt française étant composée à plus de deux tiers de feuillus, l'inadéquation entre la ressource et les besoins en construction (essentiellement résineux) explique pour partie ce déficit commercial.

Les travaux présentés s'inscrivent dans le cadre d'une thèse sur la valorisation des bois feuillus dans le domaine de la construction (structure et agencement notamment). Le procédé de déroulage permet la fabrication de produits répondant à ces différents secteurs. C'est un procédé de première transformation du bois au cours duquel un billon de bois est entraîné en rotation devant un couteau (Fig. 1). Ce couteau est animé d'un mouvement de translation en direction du centre du billon de bois avec une avance par tour correspondant à l'épaisseur du placage (feuille de bois issue de la coupe) souhaitée. Ces mouvements combinés produisent un ruban continu. L'objectif industriel de cette thèse vise donc à caractériser l'aptitude au déroulage et les qualités des produits du déroulage (placages et produits collés) pour des essences feuillues dites secondaires pour lesquels les arbres sont souvent plus petits et de moins bonne conformation. Cette thèse, bien qu'ancrée dans un projet ayant des objectifs industriels, offre également une opportunité d'explorer des aspects scientifiques plus fondamentaux. En effet, elle permettra d'approfondir la compréhension des paramètres du procédé de déroulage, un domaine clé pour l'optimisation des performances industrielles.

Pour réaliser ces travaux, une machine de déroulage expérimentale, appelée micro-dérouleuse, disponible au LaBoMaP permet le déroulage de disque de bois de 15 à 40 mm de longueur (Fig. 2). Un important travail de remise en service a été réalisé durant la première partie de ces travaux et un nouveau système de visualisation de la coupe a été installé. La machine ainsi que les nouveaux systèmes ajoutés sont présentés dans la partie matériel et méthode. L'effet du changement de longueur déroulée (40mm contre 800mm dans la dérouleuse industrielle du LaBoMaP) sur les efforts de coupe et sur la barre de pression n'a cependant jamais été quantifié. La campagne d'essai visant à évaluer les effets de ce changement dimensionnel est présentée pour valider le dispositif expérimental. L'effet principal supposé est une diminution des efforts sur la barre de pression, car la majorité de l'eau libre est éjectée dans le sens longitudinal lors d'un essai de micro-déroulage alors que celle-ci ne peut avoir lieu lors du déroulage en pleine longueur. L'évolution des efforts en déroulage pour plusieurs longueurs de disques est donc ici
étudiée afin de quantifier l'influence des effets de bord sur les mesures effectuées à l'aide de la dérouleuse expérimentale.

<figure><img src="image_226.png" /><figcaption>Fig. 1 : Schéma de principe de déroulage présentant les deux outils du déroulage. 1, couteau. 2, barre de pression.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_227.png" /><figcaption>Fig. 2 : Micro-dérouleuse expérimentale, (J-C Butaud, 1996)</figcaption></figure>

## Matériel et méthodes

La dérouleuse expérimentale ou micro-dérouleuse (Fig. 3) a été conçue par Jean-Claude Butaud (Butaud J-C 1994) avec l'impulsion de Rémy Marchal en 1996 au LaBoMaP et a servi depuis à réaliser plusieurs études sur les phénomènes de déroulage (Decès-Petit 1996, Denaud 2006).

<figure><img src="image_228.png" /><figcaption>Fig. 3 : Architecture de la micro-dérouleuse expérimentale</figcaption></figure>

<table><tr><td>1.</td><td>Bâti machine</td></tr><tr><td>2.</td><td>Moteur de broche</td></tr><tr><td>3.</td><td>Moteur d'avance</td></tr><tr><td>4.</td><td>Chariot porte-outil avec en rouge le porte-couteau et le couteau et en vert le porte-barre et la barre de pression</td></tr><tr><td>5.</td><td>Support de profilomètre</td></tr><tr><td>6.</td><td>Support du patin de frottement</td></tr></table>

On retrouve sur la micro-dérouleuse un moteur électrique couplé à un réducteur qui entraîne un disque de bois. À la différence d'une machine de production, celle-ci n'est pas prise entre deux broches motorisées, mais est pressée contre une broche unique à l'aide d'une tige filetée la traversant. Le chariot porte outils est lui piloté par un moteur brushless asservi en fonction de la rotation de la broche et de l'avance par tour spécifiée (correspondant à l'épaisseur de placage souhaitée). Le couteau, dont on peut faire varier l'angle de dépouille est solidaire du chariot porte outil et la barre de pression (voir Fig. 4 pour la correspondance des outils et des réglages) peut être déplacée en rotation ainsi que verticalement et horizontalement par rapport au couteau
pour ajuster la position relative des deux outils. Les différents réglages sont pilotés par l'automate de la machine. Les capacités de cette dernière sont résumées dans le Tab. 1.

<table><caption>Tab. 1 : Capacité de la micro-dérouleuse</caption><thead><tr><td></td><td>Amplitudes</td></tr></thead><tbody><tr><td>Longueur du disque</td><td>5 à 40mm</td></tr><tr><td>Diamètre du disque</td><td>25 à 500 mm</td></tr><tr><td>Epaisseur des placages</td><td>0.1 à 5mm</td></tr><tr><td>Vitesse de coupe (vitesse du ruban)</td><td>0.03 à 3 m/s</td></tr><tr><td>Angle de dépouille</td><td>±40°</td></tr><tr><td>Angle de la barre de pression</td><td>±20°</td></tr><tr><td>Cote verticale</td><td>0 à 7mm</td></tr><tr><td>Cote horizontale</td><td>0 à 8mm</td></tr></tbody></table>

Le porte-barre, le porte-couteau et le patin de frottement sont montés sur des cellules triaxiales piézoélectriques Kistler 9067 qui permettent de mesurer les efforts sur les différents outils ainsi que le coefficient de frottement local de l'acier sur le bois. Un profilomètre Keyence LJ-V7080 se déplace de manière radiale par rapport à la broche de la même manière que le chariot porte outil. Il mesure la distance moyenne ce qui permet le calcul de l'épaisseur coupée.

En parallèle de la mesure des efforts, la zone de coupe est filmée à l'aide d'une caméra pour l'observation de la coupe à environ 1000 image/s. L'acquisition simultanée des efforts et des images de la coupe permet d'observer l'apparition de certains phénomènes pendant la coupe et de mesurer leur impact sur les efforts de coupe.

Enfin, une méthode de correction des efforts mesurés par compensation dynamique (Girardinet al 2010, Scippa et al 2015) du comportement vibratoire de la machine est en train d'être mise en place pour limiter les perturbations dues à la résonnance de la machine entre 538 et 576 Hz (Denaud 2006) interférant avec les efforts générés par la fissuration à certaines vitesses de coupe. Cette méthode a déjà été utilisée par pour l'usinage du bois en coupe orthogonale sur des platines de mesure Kistler.

Le peuplier ayant un des taux d'humidité très important (100% dans l'aubier et jusqu'à 250% dans le faux-cœur (Heim 2023), cette essence a été choisie afin de caractériser l'effet de la longueur sur les efforts mesurées (hypothèses d'une éjection de l'eau favorisée par cette faible longueur en comparaison des longueurs déroulées sur des dérouleuses industrielles). Les réglages géométriques ne sont pas l'objet de cette étude aussi, un jeu unique de réglages cohérent avec les usages du laboratoire a été défini (Curti 2018) pour tous les essais (Fig. 4). La longueur des disques déroulés (15, 25, 35 mm) s'échelonne sur l'amplitude acceptable par la machine (Tab. 1). 4 rondelles par longueur ont été déroulées entre 120 et 110mm de rayon. Le coincement de particules de bois et la rupture d'une rondelle ont empêchés le bon déroulement de 4 essais. Les résultats correspondant à ces rondelles ne sont donc pas présentés.

Les efforts sont mesurés dans un repère horizontal-vertical (H, V sur la Fig. 4) sur le couteau et la barre de pression. Ils sont nommés respectivement : Hcouteau, Vcouteau, Hbarre et Vbarre et représentent l'effort appliqué par l'outil sur le bois. Seuls les efforts sur la barre de pression sont considérés ici.
<figure><img src="image_229.png" /><figcaption>Fig. 4 : Géométries des outils du déroulage et paramètres géométriques pour la campagne</figcaption></figure>

## Résultats et conclusions

Les résultats de la mesure des efforts horizontaux sont présentés en Fig. 5. Il apparaît que dans la gamme testée, la longueur n'a pas d'influence significative sur l'effort linéique horizontal sur la barre de pression. Aucune influence n'est visible non plus sur les efforts verticaux sur la barre de pression.

<figure><img src="image_230.png" /><figcaption>Fig. 5 : Boxplots de l'effort linéique pour les trois séries de largeurs</figcaption></figure>

Ces essais devront être complétés par la mesure des efforts pour des disques de bois totalement saturés en eau par un trempage prolongé. Ceci déterminera si la teneur en eau libre à une influence sur les efforts dans la gamme de longueur déroulée sur la micro-dérouleuse.

## Remerciements

Ces travaux sont soutenus financièrement par l'ADEME au travers du projet Feuillus CHOC porté par le FCBA.

## Références

Butaud JC (1994) Conception d'une dérouleuse instrumentée, Mémoire de diplôme ingénieur CNAM, CNAM, Cluny (FR), 76 p.

Curti R (2018) Analyse, modélisation et simulation de la coupe orthogonale du bois vert en vue de son application au fraisage par canter, Thèse de doctorat, ENSAM de Cluny, Cluny (FR), p. 68-73.
Decès-Petit C (1996) Etude des phases transitoires au cours du déroulage du bois, Thèse de doctorat, ENSAM de Cluny, Cluny (FR), 122 p.

Denaud L (2006) Analyses vibratoires et acoustiques du déroulage, Thèse de doctorat, ENSAM de Cluny, Cluny (FR), p. 117.

Girardin F, Remond D, Rigal JF (2010) High Frequency Correction of Dynamometer for Cutting Force Observation in Milling, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 132 (3): 031002, https://doi.org/10.1115/1.4001538.

Scippa A, Sallese L, Grossi N, Campatelli G (2015) Improved Dynamic Compensation for Accurate Cutting Force Measurements in Milling Applications, Mechanical Systems and Signal Processing 54-55, 314-24. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2014.08.019.
# Influence des algorithmes de traitement de l'effet trachéide sur les propriétés extraites

BOIVIN Juliette<fnref n="1" />, TEYSSIEUX Damien<fnref n="2" />, GIRARDON Stéphane<fnref n="1" />, DENAUD Louis<fnref n="1" />, FROEHLY Luc<fnref n="2" />, COTTIN Fabrice<fnref n="1" />

**Mots clefs** : Traitement d'images ; Effet trachéide ; Lumière ; Optique

## Contexte

Le bois sera l'un des matériaux de construction de base du XXIème siècle. Ses propriétés de légèreté, de rigidité, d'isolation et sa capacité à capturer le carbone font de lui un matériau incontournable dans le contexte actuel, où les préoccupations écologiques sont omniprésentes.

Une de ses particularités réside dans sa structure multi-échelle complexe et hétérogène qui résulte de la croissance adaptative et singulière d'un arbre dans son environnement (Schoch 2004, Trouy 2015). Comme toute ressource issue du vivant, sa variabilité naturelle est très forte et représente un enjeu essentiel dans sa valorisation comme matériau de construction, d'emballage ou d'aménagement intérieur ou extérieur.

Le principal frein à l'utilisation de bois français dans la construction réside dans la difficulté à prédire ses propriétés mécaniques du fait de son hétérogénéité intrinsèque plus forte que celle des bois du nord. En particulier, la construction à partir de bois feuillus, qui représentent plus des deux-tiers de la ressource sur le territoire métropolitain, est aujourd'hui freinée par la complexité à modéliser leur comportement mécanique et un contexte normatif globalement moins complet que celui concernant les résineux.

Le premier paramètre d'hétérogénéité du bois réside dans l'orientation de ses fibres, qui gouverne ses propriétés mécaniques et physiques. La connaissance de cette orientation pour un placage ou un sciage peut améliorer son usage. Aujourd'hui, cette mesure peut être réalisée par des techniques faisant appels à des faisceaux laser par effet trachéide (Briggert 2018, Kienle 2008, Nyström 2003) : lorsqu'un faisceau laser illumine une surface en bois, la lumière est diffusée et conduit à un halo de lumière de forme elliptique dont le grand axe suit les fibres du bois (Fig. 1).

<figure><img src="image_231.png" /><figcaption>Fig. 1 : Représentation de l'effet trachéide</figcaption></figure>

<footnote n="1">¹Arts et Métiers Sciences et Technologies, LABOMAP, Université Bourgogne Franche-Comté, F-71250 Cluny, France
Juliette.Boivin@ensam.eu, Louis.Denaud@ensam.eu, Stephane.Girardon@ensam.eu, Fabrice.Cottin@ensam.eu</footnote>

<footnote n="2">² Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique – Sciences et Technologies (FEMTO – ST) – UMR 6174
Damien.Teyssieux@femto-st.fr, Luc.Froehly@univ-fcomte.fr</footnote>
Après acquisition de l'image de la surface du placage à l'aide d'une caméra, celle-ci est traitée à l'aide de différents algorithmes d'extraction d'ellipse, et des données en sont retirées (grand axe, petit axe, aire, ratio, orientation de l'ellipse).

## Matériel et méthodes

Le douglas a été choisi comme essence de travail en raison de sa microstructure simple et de sa grande différence de densité entre le bois de printemps et le bois d'été. On s'intéresse à deux plans de coupe (LR et LT). Quatre éprouvettes de bois rabotées de taille 5 x 5 cm et d'épaisseur 1 mm ont été utilisées, afin d'obtenir des échantillons témoins de la variabilité au sein de l'essence (Fig. 2).

<figure><img src="image_232.png" /><figcaption>Fig. 2 : Echantillons de douglas</figcaption></figure>

Un montage expérimental présenté sur la Figure 3 a permis de collecter des images d'effet trachéide en transmission.

<figure><img src="image_233.png" /><figcaption>Fig. 3 : Montage expérimental permettant de déterminer la transmittance d'échantillons de bois</figcaption></figure>

Pour chaque échantillon, un scan est effectué sur une zone de 1.5 x 1.5 cm avec un pas de 0.1 mm. En chaque point du scan, une image avec trois temps d'exposition différents est capturée (Fig. 4).

<figure><img src="image_234.png" /><figcaption>Fig. 4 : Effet trachéide avec trois temps d'exposition différents (à gauche : court, au centre : moyen, à droite : long)</figcaption></figure>

Trois algorithmes de détection d'ellipse ont été utilisés : les moments d'inertie, les moindres au carrés et l'analyse en composantes principales. Pour chaque image, des seuillages à différentes valeurs d'intensité ont été effectués.
## Résultats

Les paramètres de grand axe, de petit axe, d'aire, de ratio et d'orientation pour différents niveaux de seuillage des ellipses sont présentés sur la Fig. 5.

<figure><img src="image_235.png" /><figcaption>Fig. 5 : Paramètres d'ellipse moyens obtenus avec différents algorithmes en fonction des valeurs de seuillage pour l'échantillon B et un temps d'exposition long,</figcaption></figure>

Une forte variabilité est observée sur les propriétés extraites selon la méthode utilisée, notamment le ratio et l'orientation des fibres.

## Conclusions et perspectives

Les variations mises en avant montrent que le traitement des images est un élément de la chaîne de traitement de l'effet trachéide à ne pas négliger. Dans la suite, il est prévu d'effectuer des mesures sur des ellipses plus spécifiques (par exemple au niveau des zones de transition bois de printemps/bois d'été), et de tester d'autres méthodes d'extraction d'information sur les
images, qui n'impliquent pas forcément d'extraction d'ellipse mais prennent en compte des
caractéristiques plus globales.

Remerciements

Ce travail est soutenu par la région Bourgogne-Franche-Comté.

Références

Briggert A, Hu M, Olsson A, Oscarsson J (2018) Tracheid effect scanning and evaluation of in-plane and out-of-plane fiber direction in Norway spruce timber. Wood and Fiber Science. 50. 411-429. 10.22382/wfs-2018-053.

Kienle A, D'Andrea C, Foschum F, Taroni P, Pifferi A (2008) Light propagation in dry and wet softwood, Opt. Express 16, 9895-9906.

Nyström J (2003) Automatic measurement of fiber orientation in softwoods by using the tracheid effect, Computers and Electronics in Agriculture, Volume 41, Issues 1–3.

Schoch, W, Heller I, Schweingruber FH, Kienast F (2004). Wood anatomy of central European Species. Birmensdorf, Switzerland: Swiss Federal Institute for Forest.

Trouy MC (2015) Anatomie du bois. Formation, fonctions et identification. Editions Quae.
# Master Sciences du Bois à l'Université de Montpellier :
Bilan après 4 ans de pédagogie active

Aurélie AUTISSIER¹, Sandrine BARDET², Bruno CLAIR²

¹Faculté des Sciences, Université de Montpellier

²LMGC, Université de Montpellier, CNRS

aurelie.autissier@umontpellier.fr

**Mots clefs** : formation ; master ; sciences du Bois ; interdisciplinarité ; apprentissage actif ; approche par compétences ; projets

## Introduction

Le master Sciences du Bois initié en 2018 lors des Journées Scientifiques du GDR à Cluny, créé en 2021, fait cette année sa quatrième rentrée. Pendant les 2 années de formation les étudiant.es acquièrent des compétences et des connaissances interdisciplinaires (biologie, physique, mécanique, chimie, sciences humaines, économiques et sociales) appliquées aux sciences du bois. Le matériau bois est présenté depuis sa formation dans l'arbre jusqu'à ses multiples usages, des produits bois aux molécules, en intégrant les enjeux économiques, sociaux et environnementaux.

En ce début de quatrième année de fonctionnement, nous dressons le bilan des réussites et des points d'amélioration identifiés.

## La sélection à l'entrée et l'insertion professionnelle au master

### *Les flux entrants*

Le master Sciences du Bois se base sur des Unités d'Enseignements interdisciplinaires, une équipe pédagogique de différentes disciplines et des étudiant.es issu.es de formations variées.

Sur les quatre promotions du master toutes confondues, les étudiant.es sélectionné.es présentent les profils suivants :

- 41 hommes et 29 femmes soit 59% d'hommes et 41% de femmes,

- 64% de licence généraliste, 26% de licence professionnelle ou bachelor universitaire, 6% en reprise d'étude et 4% d'école d'ingénieur,

- 41% de l'Université de Montpellier, 56% de France (hors UM) et 3% hors Union Européenne,

- 39% de formation biologie, 24% de physique/mécanique, 14% de filière forêt/bois, 8% de chimie et 6% de physique/chimie,

- 74% sont inscrits en formation initiale, 21% en alternance et 5% en formation continue,

- les âges sont compris entre 19 à 54 ans.

L'exigence dans la sélection et l'accompagnement individuel permettent une bonne réussite des étudiant.es du master lors de leur cursus. Sur les trois promotions de M2, seulement deux étudiants se sont réorientés (dont un étudiant qui a été embauché par sa structure d'alternance). Le taux de réussite est de 96%.

### *Attractivité du master*
Le master est de plus en plus connu à l'échelle nationale et les candidatures ont progressé de 51 dossiers en 22-23 à 76 en 23-24 puis 78 en 24-25.

Sur les 2 dernières années, le taux de sélection aux entretiens oraux est environ de 2/3 et le taux de sélection finale de 1/3.

## Stages

Le master reçoit de nombreuses offres de stage qui sont diffusées aux étudiant.es.

La destination des stages sur les trois promotions des M1 est de 75% en France métropolitaine, 15% dans les DOM-TOM et 10% à l'étranger (Fig. 1).

<figure><img src="image_236.png" /><figcaption>Fig. 1 : Destination des stages et alternances de deux promotions en 2024</figcaption></figure>

## Insertion professionnelle

L'équipe pédagogique du master Sciences du Bois accompagne dans leur projet professionnel les étudiant·es en transmettant des offres d'emploi reçues de la France entière. Un groupe LinkedIn a aussi été créé pour la diffusion d'offres au réseau des anciens.

Les étudiant·es du master Sciences du Bois sont formé·es à la démarche scientifique par et pour la recherche et l'innovation dans la filière forêt bois.

Les types d'emploi occupés sont cohérents avec les compétences interdisciplinaires et transversales acquises à la fin du master. L'insertion professionnelle des diplômé·es de la 1ère promotion un mois après la fin de la formation est la suivante : sept chargé·es de missions forêt/bois, quatre contrats doctoraux, une ingénieure d'étude R&D, une création d'entreprise et deux poursuites d'étude, deux recherches d'emploi et un emploi hors filière forêt-bois.

Le rayonnement de la formation est principalement français : 81% ont trouvé leur premier emploi en France métropolitaine. Les étudiant·es de la première promotion sortante occupent pour la majorité un CDD en sortie de diplôme (dont 30% de contrat doctoral).

L'enquête concernant la 2ème promotion sortante est en cours, nous pourrons communiquer ces résultats lors du GDR. Au premier septembre, 47% (soit 8/17) des étudiant·es ont déjà signé un contrat de travail dont deux contrats doctoraux.

## La pédagogie au master

La pédagogie active mise en place au master a quatre objectifs pédagogiques principaux :
## Apporter la compétence d'identifier, formuler et résoudre des problèmes complexes en sciences du bois

La méthode d'enseignement du master se base sur la pédagogie par problèmes et par projets, qui place l'étudiant-e au centre de l'apprentissage. L'apprentissage par problème est mis en œuvre sous forme de PROSIT (PROblem SITuation) qui a pour objectif de donner du sens aux connaissances et de favoriser l'appropriation des savoirs par les apprenant-es.

Pour tous les Prosit, du temps en autonomie dans l'emploi du temps est prévu pour permettre les apprentissages entre la séance tutorée « aller » et la séance tutorée « retour » (Fig. 2). La plupart des UE du master (12 UE) présentent ce format pédagogique (soit 42 heures de séances aller ou retour, sans compter le travail en autonomie des étudiants).

Dans le cadre de l'amélioration continue du master, deux nouveaux sujets ont été rédigés cette année et six chercheurs qui ont récemment intégré l'équipe pédagogique ont été formés à cette méthode d'enseignement.

<figure><img src="image_237.png" /><figcaption>Fig. 2 : Premier Prosit de l'année de Master 1</figcaption></figure>

## Favoriser la coopération dans la gestion de projet interdisciplinaire

Pendant les deux années de master, trois UE sont des projets longs. Ils ont pour objectif de développer les compétences transversales assurant l'adaptabilité des diplômés au secteur de l'éco-ingénierie et des matériaux biosourcés : gestion de projet, autonomie, résolution de problème, démarche scientifique, démarche d'entreprenariat, intelligence collective. Les projets principaux sont le Fil Rouge, les « études de cas » en Master 1 et des projets R&D en Master 2.

Le Fil Rouge débute dès la rentrée de Master 1 avec la description in situ de l'arbre de la promotion (Fig. 3 et 4) et se termine à la fin du Master 2 avec la présentation de trois produits innovants valorisant cet arbre sous forme de structure, de composite ou d'extraction chimique. L'objectif en Master 1 est de décrire les propriétés de l'arbre d'intérêt de manière interdisciplinaire (physique, chimie, anatomie, écologie). Les étudiant-es gèrent et coordonnent, en classe entière et en sous-groupes, le projet scientifique découpé en trois périodes pour répondre à trois questions scientifiques.

Chaque année ce projet s'améliore. L'équipe pédagogique a remarqué une difficulté à respecter les délais du projet, à faire preuve d'autonomie sur les créneaux laissés libres, et a mis en place des responsabilités qui donnent des missions à chacun tout au long de l'année. Le lancement de cette nouvelle année montre des signes d'amélioration dans la gestion du projet scientifique qui sont à confirmer. En Master 2 l'objectif est d'explorer les valorisations possibles et de développer un produit à partir de la matière caractérisée. Lors du debrief de fin d'année, les étudiants ont fait le retour sur le manque de temps pour réaliser correctement cet objectif.
L'équipe pédagogique a modifié le scénario pédagogique de cette UE et avancé la rentrée de deux jours ce qui permet un début de réflexion quelques semaines plus tôt sur ce projet.

<figure><img src="image_238.png" /><figcaption>Fig. 3 : Travaux pratiques sur l'arbre d'intérêt</figcaption></figure>

<figure><img src="image_239.png" /><figcaption>Fig. 4 : Echantillonage de dendrochronologie</figcaption></figure>

## Favoriser un réseau professionnel pour l'étudiant

Le master Sciences du Bois a pour objectif de constituer un réseau pour chaque étudiant du master. Les échanges avec les différents intervenants du master, mais aussi les déplacements professionnels, permettent en partie de mettre en place ce lien. Dès la première semaine de Master 1, les étudiant·es sont en immersion dans la filière forêt bois en Occitanie avec une équipe d'enseignant-chercheurs et rencontrent des acteurs de la filière : ONF, CNPF, PNR, propriétaire forestier, exploitant forestier, scieur, menuisier, industriels de produits bois. Au mois de Janvier, ils assistent à des cours et TP pendant une semaine à l'ENSAM de Cluny, ce qui leur permet de rencontrer ce réseau d'ingénieurs et les installations techniques. En master 2, ils se rendent à l'IUT de Nîmes et l'IMT Mines d'Alés.

Tout au long de l'année, ils participent à des visites d'entreprises, de chantier ou de laboratoires du bassin Montpelliérain.

Chaque vendredi, les causeries bois sont un temps de discussions avec des professionnels, entrepreneurs, artisans, chercheurs et permettent également de découvrir des sujets et structures qui ne font pas partie du programme pédagogique du master 1 ou 2.

L'immersion dans le milieu professionnel de la filière forêt-bois est permise par deux stages longs (16 semaines en M1 puis 18 en M2) ou grâce à l'alternance pour les apprenti·es (53 semaines sur les deux années).

Toutes ces actions permettent d'aider les étudiant·es à formuler le projet professionnel qui les motive et à s'insérer dans la filière forêt-bois.

## Formuler et recevoir un retour

Une fois par semaine un temps de discussion entre chaque promotion et les responsables du master permet de faire le point sur les séances de chaque UE. Les étudiant·es apprennent à formuler des retours à l'équipe pédagogique pour comprendre ce qui est bien perçu ou pourrait être amélioré. Ces retours peuvent donner lieu soit à une explication des choix pédagogiques soit à une modification pour l'année en cours ou l'année suivante.

Une séance plus longue est prévue en fin d'année pour recevoir les retours des étudiant·es sur l'année avant le départ en stage. C'est un moment important qui permet à l'équipe de pilotage de préparer l'année suivante et d'améliorer la formation.
Les retours sur les savoirs-être et savoir-faire individuels des étudiant.es sont très présents par différents moyens dans les enseignements : l'évaluation par les pairs, debrief oral, retour sur les erreurs fréquentes.

## Bilan du fonctionnement du master Sciences du Bois

Le master fonctionne grâce à

- une coordinatrice pédagogique diplômée de l'ENSTIB qui accompagne l'équipe pédagogique, seconde les responsables de modules, encadre les pratiques pédagogiques innovantes ;

- une gestionnaire administrative, financière et pédagogique qui réalise les achats et les missions, suit les dépenses et les recettes, assure le secrétariat pédagogique ;

- une équipe de pilotage de 5 chercheurs et enseignants-chercheurs + la coordinatrice ;

- une équipe pédagogique de 42 intervenant.es et responsables de modules ;

- une équipe ressources de 216 personnes sollicitées ponctuellement dans l'année ;

- des financements publics sur Appels à Projet de l'UM ou nationaux et des financements privés (apprentissage, TA, mécénat).

L'équipe pédagogique est constituée d'enseignants chercheurs de l'UM, de chercheurs des organismes (CIRAD, INRAE, CNRS, IRD) et de professionnels du privé.

## Conclusion

Le master Sciences du Bois atteint son objectif de formation des étudiants avec un niveau de compétence satisfaisant. La création de ce master a permis la structuration d'une équipe dynamique d'acteurs privés et publics, pluridisciplinaire sur le bois dans le bassin montpelliérain. Cette équipe s'est rassemblée notamment lors du conseil de perfectionnement présidé par Meriem Fournier. Ce conseil, qui a rassemblé les entreprises partenaires, la direction et les départements de la faculté de sciences, et le représentant de l'UM pour l'innovation pédagogique, est une illustration de l'implication de tous dans ce projet commun pour construire ensemble les évolutions possibles du master.

## Remerciements

Le master fonctionne grâce à une équipe pédagogique incroyable qui donne beaucoup. Merci !
Nous remercions aussi nos partenaires : la Fondation Alpes Contrôles, Céribois, Compcent, Fibre Excellence, Neofor, SIAT. Merci enfin au GDR Sciences du Bois d'accueillir les étudiant.es du Master aux Journées Scientifiques Annuelles et au labex Numev de financer d'organiser ce déplacement pour les deux promotions du master depuis la création du master.
C'est une opportunité de rencontre unique des acteurs de la recherche, un premier pied qui suscite des vocations pour des poursuites en thèse et une expérience inoubliable pour chacun.e d'entre elles et eux.
# Multiscale modelling of delignified wood's thermal and elastic behaviour

CHIN Yi Hien<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, AUSLENDER François<fnref n="1" />, GRIL Joseph<fnref n="1" />,<fnref n="3" />, VIAL Christophe<fnref n="1" />, MOUTOU PITTI Rostand<fnref n="1" />,<fnref n="4" />, OULDBOUKHITINE Salah-Eddine<fnref n="1" />, LABONNE Nicolas<fnref n="2" />, BIWOLE Pascal<fnref n="1" />,<fnref n="5" />,<fnref n="6" />

**Key words:** Delignified wood; Effective properties; Elastic behaviour; Homogenisation; Multiscale modelling; Thermal conductivity

## Context and objectives

To minimise greenhouse gas emissions, the development of biobased building materials is increasingly advancing. Wood is a renewable resource that stores carbon throughout its life cycle and only releases it at its decomposition. To maximise the potential of wood, various modification techniques have been developed to improve its properties. Among them, delignification involves the extraction of non-cellulosic substances from wood through chemical treatment, transforming wood into a bio-sourced insulating material while preserving its hierarchically aligned cellulosic structures (Li et al 2018). This delignification process creates nanopores within the cell wall and micro-cracks caused by cell wall separation, thereby reducing the density, the thermal conductivity and the mechanical properties of the wood.

There is a gap in the literature, as most studies are empirical with limited applications and require extensive experimental trials. Additionally, there has not been an in-depth thermal and mechanical study exploring delignified wood to date. To further deepen the understanding of delignified wood, this study proposes a multiscale homogenisation modelling approach to examine its thermal conductivity and elastic properties. Firstly, the relevant input properties of the cellulose and polymer matrix are obtained from the literature (Tab. 1, 2). Then, the multiscale models are solved by the finite element method using COMSOL Multiphysics® software (COMSOL AB n.d.). After confronting with the experimental data from the literature for both native hardwood and softwood, the aim is to understand the influence of the delignification on the wood structure at the micro, meso and macro scales. Parametric studies will be conducted by varying the degree of delignification to determine the optimum balance between thermal and mechanical properties. This will also be useful for predicting the properties of delignified wood from different species, considering the variations in cellulose content, microfibril angle, cell geometry, and earlywood-latewood ratio.

## Multiscale homogenisation modelling approach

The concept of homogenisation is to average the behaviour of a material with a complex periodic microstructure by replacing it with an equivalent homogeneous continuum. A

<footnote n="1">¹Université Clermont Auvergne, CNRS, SIGMA Clermont, Institut Pascal, 63000 Clermont-Ferrand, France.</footnote>

<footnote n="2">²Dagard Company, 23600 Boussac, France.</footnote>

<footnote n="3">³Université Clermont Auvergne, INRAE, PIAF, 63000 Clermont-Ferrand, France.</footnote>

<footnote n="4">⁴CENAREST, IRT, BP 14070, Libreville, Gabon.</footnote>

<footnote n="5">⁵MINES Paris, PSL Research University, PERSEE - Center for Processes, Renewable Energies and Energy Systems, France.</footnote>

<footnote n="6">⁶California State Polytechnic University, Humboldt, School of Engineering, Arcata, CA 95521, USA.</footnote>

<footnote>yi_hien.chin@uca.fr</footnote>
representative volume element (RVE) refers to a portion of a material whose effective behaviour represents the material as a whole at the next scale. At each scale, the unit cell is subjected to periodic boundary conditions to determine the homogenised material properties. The input data, such as the geometrical dimensions and properties of elementary constituents, are derived from the works of Phan et al (2024) and Eitelberger and Hofstetter (2011). After the delignification treatment, Scanning Electron Microscopy (SEM) images (Fig. 1) reveal the creation of nanopores within the polymer matrix and the formation of micro-cracks at the middle lamella, where the lignin content is highest.

<figure><img src="image_240.png" /><figcaption>Fig. 1 : SEM images of poplar wood after delignification treatment compared with native wood.</figcaption></figure>

The multiscale homogenisation procedure involves RVEs at different length scales:

- Nano-scale: Self-consistent model of the polymer network consisting of lignin, hemicellulose and nanopores created.

- Micro-scale: An RVE of cell wall material made up of cellulose fibrils surrounded by a polymer matrix.

- Meso-scale: RVE of earlywood with hexagonal cell, where the cell wall layers consist of S1(+ML+P), S2 and S3 with properties rotated at the microfibril angle. An RVE of earlywood with a vessel. An RVE of latewood.

- Macro-scale: An RVE of annual growth ring.

The boundary conditions were applied using the built-in periodic condition feature in the Heat Transfer and Structural Mechanics modules of COMSOL Multiphysics® software. The Identical Mesh feature was used in the mesh sequence to improve the accuracy of the analysis by ensuring that each pair of matching boundaries share the same mesh. The finite element mesh of each RVE at various scales is shown in Fig. 2.

## First results

### Effective thermal conductivity

To determine the effective thermal conductivity of a material, all modes of heat transfer (conduction, convection and radiation) must be considered. The thermal conductivities of the elementary components of wood are given in Tab. 1.

<table><caption>Tab 1 : Input thermal properties of elementary components of wood (Eitelberger and Hofstetter 2011).</caption><thead><tr><th>Elementary component</th><th>Component behavior</th><th>Thermal conductivity [W.m<sup>-1</sup>.K<sup>-1</sup>]</th></tr></thead><tbody><tr><td>Hemicellulose</td><td>Isotropic</td><td>0.34</td></tr><tr><td>Lignin</td><td>Isotropic</td><td>0.39</td></tr><tr><td rowspan="3">Cellulose</td><td rowspan="3">Transversely isotropic</td><td>k<sub>cellulose,11</sub> = 0.26</td></tr><tr><td>k<sub>cellulose,22</sub> = 0.26</td></tr><tr><td>k<sub>cellulose,33</sub> = 1.04</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_241.png" /><figcaption>Fig 2 : Mesh of different RVEs. (a) Cell wall material. (b) Earlywood with cell wall layers of S1, S2 and S3 subjected to MFA. (c) Earlywood with a vessel. (d) Latewood with cell wall layers of S1, S2 and S3 subjected to MFA. (e) Annual growth ring.</figcaption></figure>

Convection is only relevant if the Grashof number, defined by equation (1), exceeds 1000 (Gibson and Ashby 1988):

$$Gr = \frac{g\beta_e\Delta T_c l^3 \rho^2}{\mu^2} \quad (1)$$

where g is the gravitational acceleration (9.81 m/s²), βe is the volume coefficient of expansion for gas (βe =1/T for an ideal gas), ΔTc is the temperature difference across one cell, l is the cell size, and ρ and μ represent respectively the density and dynamic viscosity of the gas. To exceed a Grashof number of 1000, the cell size l has to be larger than 10.69 mm. However, the lumen diameter in wood cells is much smaller, making convection negligible at the material scale.

To consider the radiation heat transfer, the thermal conductivity of the pore can be expressed by a combination of gas conduction and radiation in parallel using equation (2).

$$k_{pore} = k_{air} + k_{rad} \quad (2)$$

where kair is 0.026 W.m⁻¹.K⁻¹ and krad is the radiative thermal conductivity which depends on the pore size. The Rosseland approximation for optically thick material is used to calculate krad with equation (3) (Pennec et al 2013).

$$k_{rad} = 4 d_{pore} e \sigma T^3 \quad (3)$$

where dpore the largest gap dimension in direction of heat flow, e is the surface emissivity, σ is the Stefan–Boltzmann constant (5.67x10⁻⁸ Wm⁻².K⁻⁴) and T is the average absolute temperature of the region where radiation occurs. By assuming an average emissivity of 0.924 for wood and T at 20 °C, the pore thermal conductivity was calculated for various pore dimensions (Fig. 3).

For nanopores, gaseous thermal conductivity is described using the Knudsen formula, also known as Kaganer's model:

$$k_{nanopores} = \frac{k_{air}}{1 + 2 \beta K_n} \quad (4)$$
<figure><img src="image_242.png" /><figcaption>Fig 3: Thermal conductivity of pore (gas conduction + radiation) vs. pore dimension.</figcaption></figure>

where $\beta$ is the coefficient that characterizes the efficiency of energy transfer from molecule-wall collision (for air, $\beta=2$); $K_n$ is the Knudsen number defined by equation (5).

$$K_n = \frac{l_{mean}}{D} \qquad (5)$$

where $l_{mean}$ is the mean free path of air molecules (70 nm) and $D$ is the average nanopore diameter (4 nm, from the nitrogen sorption).

The self-consistent modelling of the effective thermal conductivity of the non-cellulosic matrix with nanopores is done by using the Maxwell-Eucken model or equivalently the Hashin-Shtrikman upper bound (equation 6), assuming air is present within the matrix as spherical inclusions.

$$k_{ME} = k_s \frac{k_f + 2k_s + 2\epsilon_p(k_f - k_s)}{k_f + 2k_s - \epsilon_p(k_f - k_s)} \qquad (6)$$

where $k_s$ and $k_f$ represent the thermal conductivities of polymer matrix and nanopores respectively and $\epsilon_p$ is the nanoporosity from delignification.

At subsequent scales, the modelling strategy in COMSOL Multiphysics® software remains identical. A temperature difference was applied to two faces perpendicular to the heat transfer direction, and the heat flux through the RVE was determined. Using Fourier's law, thermal conductivity in this direction is defined by equation (7).

$$k_{eff} = \frac{l * \Phi}{\Delta T * S} \qquad (7)$$

where $l$ is the length in the direction of the flux, $\Phi$ is the heat flux, $\Delta T$ is the temperature difference, and $S$ is the surface area.

This operation was repeated in the other two directions of the REV to quantify the anisotropic thermal conductivity values.

### Effective elastic properties

Wood exhibits orthotropic behaviour, it has different properties depending on the loading direction. Nine independent variables are needed to fully characterise its elastic behaviour. Tab. 2 shows the elastic properties of the elementary components of wood.

To incorporate the nanoporosity in the polymer matrix which is assumed isotropic, the self-consistent model is applied by assuming isotropic porosity distribution. The effective shear modulus $\tilde{G}$ is determined by solving the quadratic equation (8).

$$16\tilde{G}^2 + [(3 - \epsilon_p)K - 4(4 - 5\epsilon_p)G]\tilde{G} - 3(1 - 2\epsilon_p)KG = 0 \qquad (8)$$
<table><caption>Tab 2 : Input mechanical properties of elementary components in wood. (Phan et al 2024)</caption><tbody><tr><td rowspan="2">Non-cellulosic matrices</td><td>Young's modulus</td><td>E<sub>m</sub> (GPa)</td><td>2</td></tr><tr><td>Poisson's ratio</td><td>nu<sub>m</sub></td><td>0.33</td></tr><tr><td rowspan="7">Cellulose fibrils</td><td>Longitudinal Young's modulus</td><td>E<sub>L</sub> (GPa)</td><td>138</td></tr><tr><td>Transversal Young's modulus</td><td>E<sub>TT</sub> (GPa)</td><td>27.2</td></tr><tr><td>Longitudinal Poisson's ratio</td><td>nu<sub>LT</sub></td><td>0.1</td></tr><tr><td>Transversal Poisson's ratio</td><td>nu<sub>TT</sub></td><td>0.33</td></tr><tr><td>Longitudinal Shear modulus</td><td>G<sub>LT</sub> (GPa)</td><td>4.4</td></tr><tr><td>Transversal Shear modulus</td><td>G<sub>TT</sub> (GPa)</td><td>E<sub>TT</sub> / 2(1+nu<sub>TT</sub>)</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

where $\tilde{G}$ is the effective shear modulus for the porous material, K and G are the bulk and shear moduli of the matrix, $\varepsilon_p$ is the nanoporosity. The physically meaningful (positive) root of this equation gives $\tilde{G}$. Then, the effective bulk modulus $\tilde{K}$ is calculated using equation (9).

$$ \tilde{K} = \frac{4(1 - \varepsilon_p)K \tilde{G}}{3\varepsilon_p K + 4 \tilde{G}} \quad (9) $$

At the subsequent scales, the modelling strategy using COMSOL Multiphysics® software applies a deformation approach. Periodic conditions $u(x) = \bar{\varepsilon} x + u'(x)$ where $\bar{\varepsilon}$ is the imposed macroscopic strain and $u'(x)$ a periodic displacement field, are used on each unit cell. By applying 6 different elementary loadings, the local stress field is obtained, and therefore its spatial average, which corresponds to the macroscopic stress. The effective tensor of elastic moduli, with Voigt notations, can be computed by means of equation (10).

$$ \begin{pmatrix} \bar{\sigma}_1 \\ \bar{\sigma}_2 \\ \bar{\sigma}_3 \\ \bar{\sigma}_4 \\ \bar{\sigma}_5 \\ \bar{\sigma}_6 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \tilde{C}_{11} & \tilde{C}_{12} & \tilde{C}_{13} & \tilde{C}_{14} & \tilde{C}_{15} & \tilde{C}_{16} \\ \tilde{C}_{21} & \tilde{C}_{22} & \tilde{C}_{23} & \tilde{C}_{24} & \tilde{C}_{25} & \tilde{C}_{26} \\ \tilde{C}_{31} & \tilde{C}_{32} & \tilde{C}_{33} & \tilde{C}_{34} & \tilde{C}_{35} & \tilde{C}_{36} \\ \tilde{C}_{41} & \tilde{C}_{42} & \tilde{C}_{43} & \tilde{C}_{44} & \tilde{C}_{45} & \tilde{C}_{46} \\ \tilde{C}_{51} & \tilde{C}_{52} & \tilde{C}_{53} & \tilde{C}_{54} & \tilde{C}_{55} & \tilde{C}_{56} \\ \tilde{C}_{61} & \tilde{C}_{62} & \tilde{C}_{63} & \tilde{C}_{64} & \tilde{C}_{65} & \tilde{C}_{66} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} \bar{\varepsilon}_1 \\ \bar{\varepsilon}_2 \\ \bar{\varepsilon}_3 \\ \bar{\varepsilon}_4 \\ \bar{\varepsilon}_5 \\ \bar{\varepsilon}_6 \end{pmatrix} \quad (10) $$

where $\bar{\sigma}_i = \bar{\sigma}_{ii}$, $\bar{\varepsilon}_i = \bar{\varepsilon}_{ii}$ for i = 1 to 3, $\bar{\sigma}_4 = \bar{\sigma}_{23}$; $\bar{\sigma}_5 = \bar{\sigma}_{13}$; $\bar{\sigma}_6 = \bar{\sigma}_{12}$ and $\bar{\varepsilon}_4 = 2\bar{\varepsilon}_{23}$; $\bar{\varepsilon}_5 = 2\bar{\varepsilon}_{13}$; $\bar{\varepsilon}_6 = 2\bar{\varepsilon}_{12}$.

## Conclusion and perspectives

In this work, we investigated the thermal and mechanical properties of both native and delignified wood through homogenisation-based multiscale models. We introduced a self-consistent model to account for nanoporosity created within the cell wall material and used the finite element method to homogenise the thermal and mechanical properties. The proposed models are expected to be confronted with the literature data and will enable the prediction of the effective thermal conductivity and elastic properties of wood at varying degrees of delignification. This multiscale approach encourages the applications of modified wood. Managing thermal anisotropy can allow an appropriate distribution of heat flow through the material, while mechanical anisotropy allows for the selection of appropriate material orientations based on load-charging requirements. In addition, these models can predict delignified properties for different wood species. Future works need to consider the water content, particularly after material stabilisation under ambient conditions. In the long term, validation of these models will require testing with a large number of delignified wood samples and over a larger scale.
Acknowledgements

This work is supported by the French National Research Agency (ANR) and the company
Dagard, under “France Relance” plan.

References

COMSOL AB (n.d.) COMSOL Multiphysics® v. 6.2 [Computer software]. www.comsol.com

Eitelberger J, Hofstetter K (2011) Prediction of transport properties of wood below the fiber saturation point – A multiscale homogenization approach and its experimental validation. Composites Science and Technology, 71(2), 134–144.

Gibson LJ, Ashby MF (1988) Cellular solids: Structure & properties (1st ed). Pergamon Press.

Li T, Song J, Zhao X, et al (2018) Anisotropic, lightweight, strong, and super thermally insulating nanowood with naturally aligned nanocellulose. Science Advances, 4(3), eaar3724.

Pennec F, Alzina A, Tessier-Doyen, Naït-ali B, Mati-Baouche N, De Baynast H, Smith DS (2013) A combined finite-discrete element method for calculating the effective thermal conductivity of bio-aggregates based materials. International Journal of Heat and Mass Transfer, 60, 274–283.

Phan N-T, Auslender F., Gril J., Moutou Pitti R. (2024) Effects of cellulose fibril cross-linking on the mechanical behavior of wood at different scales. Wood Science and Technology, 58(4), 1555–1583.
# Contribution au comportement en ambiance tropicale de l'Evino en conditions climatiques contrôlées

MOUMBINA DINDZAMBOT Lié Régis<fnref n="1" />, IKOGOU Samuel<fnref n="2" />, TALLA Pierre Kisito<fnref n="3" />, MOUTOU PITTI Rostand<fnref n="4" />,<fnref n="5" />

**Mots-clés** : Evino ; humidité ; température, flèche

## Contexte et objectifs

Considéré à juste titre comme un bois de qualité secondaire, l'Evino (Vitex sp) fait partie des bois qui ne font pas encore l'objet d'une transformation à l'échelle industrielle. N'ayant pourtant pas le statut d'essence pionnière, l'Evino se rencontre dans plusieurs zones du Gabon (Herbier Gabon 2024) ainsi que dans certaines régions du Golfe de Guinée. Il présente un bois jaunâtre, assez tendre et léger (Détienne et al 1982), avec des arbres pouvant atteindre des de 60 à 70 cm.

La caractérisation des propriétés technologiques de ce bois permettra de promouvoir cette essence sur le plan national, de sorte à la substituer à celles présentement en exploitation intense. Par ailleurs, il se trouve qu'avec l'expansion démographie, la demande en ressources naturelles se fait grandissante. D'où la nécessité d'ouvrir davantage le panel d'essences, dont les propriétés physiques et mécaniques ont un fort potentiel de valorisation. En ce sens, il est important de s'intéresser à l'effet des conditions climatiques sur le comportement des propriétés physique et mécanique du bois d'Evino (Navi et Héger 2005, Varnier 2019, Asseko 2019, Talla 2019).

L'objectif principal de cette étude et de valider le dispositif expérimental mis en place, par la maîtrise des températures tout en évitant la dispersion des paramètres entre le milieu extérieur et le dispositif expérimental, tout en observant la variation de la flèche, au cours des essai en flexion statique 4 points. Par ailleurs, Daher et al (2023) préconise la nécessité d'étudier l'influence de la température et de la teneur en eau sur la résistance en compression du bois afin de mieux comprendre le comportement du bois.

## Matériel et méthode

Afin de mettre en évidence l'effet de la température sur le comportement différé de l'Evino, un dispositif d'essai de flexion statique 4 points, en milieu contrôlé (T°C, HR%), a été conçu.

### Conception du dispositif

Le dispositif expérimental (Fig. 1) est conçu à d'un caisson réalisé avec des parois en bois avec au centre du polystyrène (Fig. 1c). Ce caisson permet d'assurer l'étanchéité thermique du dispositif d'essais. Le dispositif ainsi conçu possède :

- La capacité de ne pas laisser échapper la chaleur ;

<footnote n="1">¹Ecole Nationale des Eaux et Forêts, Libreville, Gabon</footnote>

<footnote n="2">²Université des Sciences et Techniques de Masuku, Franceville, Gabon</footnote>

<footnote n="3">³Université de Dschang, Dschang, Cameroun</footnote>

<footnote n="4">⁴Institut de Recherche Technologique, Libreville, Gabon</footnote>

<footnote n="5">⁵Université de Clermont Auvergne, CNRS, Clermont Auvergne INP, France
regismoumbina@hotmail.com</footnote>
- Un mécanisme permettant la variation de la température tout au long de l'expérience ;

- Des capteurs de déformation avec dispositif d'acquisition des données ;

- Une batterie assurant le relai électrique en cas de rupture d'électricité tout en fournissant un courant continu aux capteurs.

La température compte parmi les paramètres physiques dont l'influence sur le comportement élastique du bois est importante. De plus, Guitard (1987) fait le constat que l'augmentation du taux d'humidité a pour effet la plastification des constituants en abaissant la température de transition vitreuse. L'expérience qui s'appuie principalement sur l'introduction de la température permet de comprendre comment le bois d'Evino réagit aux variations de température tout en permettant d'approfondir les connaissances sur ses propriétés mécaniques et son comportement structurel.

Cette étude qui fait intervenir la température comme catalyseur de l'expérience, permettra par sa variation de raccourcir le temps de l'expérience de manière à déterminer le module d'élasticité.

<figure><img src="image_243.png" /><figcaption>Fig. 1 : Dispositif expérimental : (a, b) usinage du dispositif ; (c) parois constitutives ; (d) vue d'ensemble</figcaption></figure>

Le dispositif développé intègre :

- un thermostat numérique STC-3028, relié d'une part à une résistance chauffante pour le contrôle de la température, et d'autre part au capteur hygromètre pour la mesure de l'humidité relative de l'air à l'intérieur du dispositif ;

- des capteurs de déplacement de type KTR 25 mm, équipé d'afficheur numérique en temps réel. Ces capteurs sont positionnés à mi-travée en dessous des éprouvettes pour mesurer la flèche, à raison d'un capteur par poutre testée.

L'acquisition des données se faisant mécaniquement, des relevés de données ont été réalisés de manière séquentielle : d'abord toutes les 5 minutes, ensuite le pas est augmenté à 10 minutes, puis 15 minutes jusqu'à 1 heure. Ces essais ont été effectuées pour des séries de chargement de 2 jours jusqu'à constations de la stabilisation des mesures.

## Méthode expérimentale

Le schéma de l'essai est relatif à un essai de flexion statique 4 points, qui consiste à évaluer les caractéristiques mécaniques en condition variables contrôlées. Grâce à un variateur de température, à partir d'éprouvettes de dimension 570 x 30x 30 mm3 (L x R x T) placées sur deux appuis cylindriques à axes parallèles, pour une charge fixe inférieure à la charge maximale ayant entraîné la rupture (Fig. 2).
Sur la base de la caractérisation de l'Evino, la charge de rupture au taux d'humidité d'environ 12,29% a été déterminée afin de localiser le domaine élastique, qui correspond au domaine de déformations non permanentes. En effet, Sales (1977) a montré que dans le domaine de déformation linéaire et élastique, la charge à appliquer aux matériaux ne doit pas excéder le rapport de la charge linéaire sur la charge de rupture.

<figure><img src="image_244.png" /><figcaption>Fig. 2 : Dispositif de flexion 4 points</figcaption></figure>

L'étude vise à évaluer l'effet de la température sur le comportement mécanique de l'Evino (Vitex sp), en conditions climatiques contrôlées. Ce travail a donc pour objectif d'observer comment le bois se comporte sous une charge mécanique, dans une chambre à conditions régulées (Température et Humidité), en fonction du temps.

## Résultats et discussion

Les essais permettant de la validation du dispositif visent à observer la variation de la température à l'intérieur du dispositif pour lequel il était convenu qu'il soit adiabatique même si quelques variations peuvent être perceptibles.

### Comportement du dispositif quant à la température

Les courbes de la Fig. 3 traduisent les conditions environnementales du dispositif. Le constat est tel qu'il se produit des variations de température, qui cependant ne demeurent pas permanentes.

<figure><img src="image_245.png" /><figcaption>Fig. 3 : Propagation de la température en fonction du temps</figcaption></figure>

### Comportement des poutres soumis à une charge permanente en fonction de la température

La réponse au chargement effectué est donnée par la figure ci-dessous (Fig. 4). Pour cette expérience, le taux d'humidité interne est de 12,29% pour une température de 27,7°C et une hygrométrie de 77,3% dans laquelle on y observe un fléchissement rapide des éprouvettes testées, dû à la charge imposée.
La validation du dispositif est conditionnée par le comportement de celui-ci vis des paramètres tels que l'humidité et la température, dont dépend très fortement le comportement du bois.

<figure><img src="image_246.png" /><figcaption>Fig. 4 : Evolution de la flèche pendant le chargement</figcaption></figure>

## Conclusion et perspectives

La suite à donner à ces travaux réside dans la mise en évidence du comportement différé du bois d'Evino en fonction des effets couplés de la température et de l'humidité d'une part et de la détermination de l'énergie d'activation à partir du principe de superposition temps- température sur la base des courbes maîtresses.

## Remerciements

Mes remerciements s'adressent à l'Ecole Nationale des Eaux et Forêts et particulièrement au directeur général pour les encouragements.

## Références

Asseko Ella M, Pambou Nziengui C F, Ikogou S, Moutou Pitti R (2019) Comportement thermo-hydro-mécanique de poutres entaillées d'essences européennes sous charges de fluage en conditions extérieures, 7ème conférence internationale sur l'ingénierie structurelles, la mécanique et le calcul SEMC2019.

Daher H, Caré S, Forêt G, Payet L (2023) Effet de la température et de la teneur en eau sur le comportement mécanique du bois. Congrès des Jeunes Chercheurs en Mécanique (MECA-J), https://mecaj2023.sciencesconf.org/resource/page/id/1, France. (hal-04271025), 2p.

Détienne P, Jacquet P, Mariaux A (1982) Manuel d'identification des bois tropicaux CTFT, Tome 3, Guyanne française, p. 195-196.

Guitard D (1987) Mécanique du matériau bois et composites, Cepadues, p. 99-127.

Navi P, Herger F (2005) Comportement thermo-hydromécanique du bois Presses polytechniques et universitaires romandes, .

Sales C (1977) Rheological studies of tropical wood, Revue Bois et Forêts, n° 176.

Talla Fotsing G B (2021) Contribution à l'étude thermoélastique de quelques essences bois du Cameroun. Thèse de doctorat en mécanique, Université de Dschang, 108p.

Varnier M (2019) Comportement thermo-hydro-mécanique différé des feuillus, des sciences du bois à l'ingénierie, Ph.D. thesis, Université de Limoges, 244p.
# Modélisation du comportement différé d'éléments en bois massif

OUEIDAT Nour El Hoda, COUREAU Jean-Luc, CHAPLAIN Myriam

Institut de Mécanique et d'Ingénierie (I2M), Université de Bordeaux
nour-el-hoda.oueidat@u-bordeaux.fr

**Mots clefs** : bois massif ; nodosité ; caractérisation ; modélisation ; comportement viscoélastique ; hygromécanique ; endommagement ; durée de vie

## Contexte et objectifs

Le bois, matériau naturel largement utilisé en construction pour son caractère renouvelable, sa résistance, sa légèreté et sa durabilité. Il présente un comportement mécanique complexe en raison de son anisotropie et de ses propriétés variables. Les défauts tels que les nœuds et la déviation des fibres augmentent les difficultés à le modéliser.

L'hétérogénéité des matériaux et leurs performances différées doivent être intégrées dans les modélisations pour l'estimation des performances. L'endommagement des éléments structuraux en matériaux fibreux et hétérogènes, qu'il s'agisse de fissurations en surface, près de singularités ou au niveau des assemblages, affecte la performance des structures. Les risques de création ou de propagation de fissures augmentent lors des phases de séchage ou de changements rapides des conditions environnementales. Ces situations surviennent fréquemment lors de canicules (en lien avec le changement climatique), de chauffage ou de forte climatisation des bâtiments. La transition entre l'état humide et sec peut entraîner des variations dimensionnelles et des endommagements prématurés et localisés, réduisant la durée de vie des ouvrages, en particulier la tenue des éléments bois assemblés ou collés.

Ce travail vise à modéliser par une approche multiphysique l'endommagement du bois en tenant compte de leur teneur en eau sous chargement mécanique, afin d'estimer leur teneur dans le temps. Nous nous concentrerons particulièrement sur la modélisation des effets des variations des sollicitations extérieures sur la performance différée des constructions en bois. Le développement de ce modèle, associé à des essais de durée de vie en ambiance climatique maîtrisée, devra permettre de quantifier les cinétiques de ruptures et les choix des propriétés mécaniques et en lien avec l'hétérogénéité les plus influentes.

## Méthodologie

La première étape consiste à développer un modèle viscoélastique orthotrope pour le bois parfait. La deuxième étape vise ensuite à adapter ce modèle au bois de construction en intégrant les variations des pentes de fils (induits par les nœuds) dans le modèle initial. La troisième étape consiste à développer un modèle d'endommagement anisotrope à long terme pour le bois de construction, basé sur le modèle d'endommagement de Rebhi (2024) et des modèles viscoélastiques. Des essais expérimentaux spécifiques seront développés pour valider le modèle. L'effet de la teneur en eau sera aussi intégré dans le modèle d'endommagement. Le développement d'un modèle viscoélastique orthotrope est abordé dans le chapitre suivant.

## Modélisation viscoélastique orthotrope

Dans le domaine élastique, le comportement du bois peut être représenté par la loi de Hook généralisé. Pour un matériau homogène élastique orthotrope, la relation est donnée par l'équation (1) :
$$
\left\{
\begin{array}{c}
\varepsilon_L^e \\
\varepsilon_T^e \\
\varepsilon_R^e \\
\gamma_{LT}^e \\
\gamma_{LR}^e \\
\gamma_{TR}^e
\end{array}
\right\}
=
\begin{bmatrix}
\frac{1}{E_L^0} & \frac{-v_{TL}}{E_T^0} & \frac{-v_{RL}}{E_R^0} & 0 & 0 & 0 \\
\frac{-v_{TL}}{E_T^0} & \frac{1}{E_T^0} & \frac{-v_{TR}}{E_T^0} & 0 & 0 & 0 \\
\frac{-v_{RL}}{E_R^0} & \frac{-v_{TR}}{E_T^0} & \frac{1}{E_R^0} & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & \frac{1}{G_{LT}^0} & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0 & \frac{1}{G_{LR}^0} & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{1}{G_{TR}^0}
\end{bmatrix}
\cdot
\left\{
\begin{array}{c}
\sigma_L \\
\sigma_T \\
\sigma_R \\
\sigma_{LT} \\
\sigma_{LR} \\
\sigma_{TR}
\end{array}
\right\}
=
\left[
\begin{array}{c}
C^e \\
C^e \\
C^e \\
C^e \\
C^e \\
C^e
\end{array}
\right]
\cdot
\left\{
\begin{array}{c}
\sigma_L \\
\sigma_T \\
\sigma_R \\
\sigma_{LT} \\
\sigma_{LR} \\
\sigma_{TR}
\end{array}
\right\}
\quad (1)
$$

Le comportement visqueux linéaire du bois peut être modélisé en utilisant des modèles
rhéologiques à partir de deux éléments, le ressort (solide élastique) et l'amortisseur (fluide
visqueux). Les deux modèles les plus utilisés sont le modèle de Kelvin Voigt plus
particulièrement utilisé pour les essais de fluage-recouvrance, et le modèle de Maxwell pour les
essais de relaxation-effacement.

Dans notre étude, pour représenter le comportement visqueux, le modèle rhéologique retenu
par direction d'orthotropie est une cellule de Kelvin-Voigt (Fig. 1). Dans la première phase de
l'étude, seule l'influence de la teneur en eau sera prise en compte, pas ses variations.

<figure><img src="image_247.png" /><figcaption>Fig. 1 : Représentation du modèle de Kelvin-Voigt selon la direction α (avec α=L, T ou R)</figcaption></figure>

La déformation visqueuse selon la direction α (avec α=L, T ou R) sous une charge constante σ_α s'écrit suivant l'équation (2) et donc la déformation totale en fluage suivant l'équation (3).

$$
\epsilon_{\alpha}^{v}(t) = \sigma_{\alpha} \cdot \left[ \frac{1}{E_{\alpha}^{1}} \cdot \left(1 - e^{-t/\tau_{\alpha}^{1}}\right) \right] \quad \text{avec} \quad \tau_{\alpha}^{1} = \frac{\eta_{\alpha}^{1}}{E_{\alpha}^{1}} \qquad (2)
$$

$$
\epsilon_{\alpha}(t) = \epsilon_{\alpha}^{e} + \epsilon_{\alpha}^{v} = \sigma_{\alpha} \cdot \left[ \frac{1}{E_{\alpha}^{0}} + \frac{1}{E_{\alpha}^{1}} \cdot \left(1 - e^{-t/\tau_{\alpha}^{1}}\right) \right] \quad (3)
$$

La détermination des paramètres viscoélastiques pour le matériau orthotrope représente une
tâche complexe, par manque de données dans la littérature. À partir des résultats expérimentaux
de la thèse de Cariou (1987), les paramètres viscoélastiques dans la direction longitudinale du
pin maritime pour une humidité de 12% sont obtenus. La méthode d'ajustement repose sur une
approche de moindres carrés, visant à minimiser la somme des carrés des écarts entre les
données de Cariou (1987) et l'équation 2 (Fig. 2). Les valeurs obtenues, 1,069.10⁴ MPa et
1,387.10⁴ MPa.h correspondent respectivement à E<sub>L</sub><sup>1</sup> et η<sub>L</sub><sup>1</sup>.
<figure><img src="image_248.png" /><figcaption>Fig. 2 : Évolution de la déformation viscoélastique longitudinale en fonction du temps</figcaption></figure>

Nous ne connaissons que très peu les paramètres viscoélastiques pour les autres directions. Selon Guitard (1987), nous supposons dans un premier temps que les facteurs d'orthotropie ($C_i$, Eq. 4) restent constants au cours du temps selon les directions, en considérant les degrés d'anisotropie connus en élasticité. Sur la base de ces hypothèses, les modules de Young ainsi que les modules de cisaillement seront exprimés en fonction de $E_L^0$ ou $E_L^1$ comme présenté équation (4).

$$ \frac{E_R^0}{E_L^0} = \frac{E_R^1}{E_L^1} = C_1; \frac{E_T^0}{E_L^0} = \frac{E_T^1}{E_L^1} = C_2; \frac{G_{TR}^0}{E_L^0} = \frac{G_{TR}^1}{E_L^1} = C_3; \frac{G_{LR}^0}{E_L^0} = \frac{G_{LR}^1}{E_L^1} = C_4; \frac{G_{LT}^0}{E_L^0} = \frac{G_{LT}^1}{E_L^1} = C_5 \quad (4) $$

avec $C_i$: constantes dépendantes du bois étudié.

Également par manque de données, le rapport $\tau_\alpha^1$ du modèle de Kelvin Voigt est considéré dans cette première phase comme constant et identique dans toutes les directions ($\tau_\alpha^1 = \tau_L^1$), $\tau_L^1$ étant le seul déterminé suivant la direction longitudinale. La matrice de complaisance viscoélastique pour le cas orthotrope peut s'écrit de façon simplifiée suivante :

$$ [C^v] = \left(1 - e^{-t/\tau_L^1}\right) \begin{bmatrix} \frac{1}{E_L^1} & \frac{-v_{TL}}{E_T^1} & \frac{-v_{RL}}{E_R^1} & 0 & 0 & 0 \\ \frac{-v_{TL}}{E_T^1} & \frac{1}{E_T^1} & \frac{-v_{TR}}{E_T^1} & 0 & 0 & 0 \\ \frac{-v_{RL}}{E_R^1} & \frac{-v_{TR}}{E_T^1} & \frac{1}{E_R^1} & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & \frac{E_L^0}{G_{LT}^0 \cdot E_L^1} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{E_L^0}{G_{LR}^0 \cdot E_L^1} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{E_L^0}{G_{TR}^0 \cdot E_L^1} \end{bmatrix} \quad (5) $$

Cette matrice de complaisance viscoélastique $[C^v]$, avec les hypothèses de l'équation (4), s'exprime alors en fonction de la matrice de complaisance élastique par la relation suivante :

$$ [C^v] = \frac{(1 - e^{-t/\tau_L^1}) \cdot E_L^0}{E_L^1} [C^e] \quad (6) $$

Cette proposition de modèle sera implémentée sous Cast3M développeur. L'extension du modèle viscoélastique au bois de construction consiste à intégrer la variation locale des propriétés élastiques due à la présence des nœuds (variation de l'orientation des fils du bois). La distribution de ces propriétés est déterminée à l'aide des formules de Guitard (1987). Le modèle géométrique d'une poutre en bois avec ses nœuds est créé sur Cast3M (Rebhi, 2024). Une fois le maillage réalisé, nous pourrons étudier le comportement macroscopique des poutres de structures idéalisées. Le modèle sera ensuite testé sur plusieurs configurations d'hétérogénéités.
## Protocole expérimental

Avant les essais de fluage, la variation de la pente de fils est mesurée à l'aide d'un dispositif laser (Xyloprofile) qui projette une ligne de points laser perpendiculaire à l'axe longitudinal du bois, tout en déplaçant le faisceau longitudinalement (Fig. 3). Ensuite, la poutre sera modélisée en intégrant les pentes des fils dans le modèle viscoélastique, à l'aide du modèle développé par Rebhi dans le cadre de sa thèse (Rebhi 2024). Ce modèle permet de déterminer la variation locale des propriétés élastiques due à des nœuds (Fig. 4).

<figure><img src="image_249.png" /><figcaption>Fig. 3 : Scan du bois avec le Xyloprofile et mesure de la variation de la pente de fil (Rebhi et al 2023)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_250.png" /><figcaption>Fig. 4 : Exemple de cartographies d'angles d'orientations des fils d'une face d'une poutre de pin maritime</figcaption></figure>

Pour valider les estimations par simulation numérique, des essais sous charge constante seront effectués sur des éléments en bois massif. Ces essais seront réalisés sous un environnement contrôlé, dans une enceinte climatique de 20 m², où la température et l'humidité relative de l'air seront contrôlées. La charge appliquée correspondra à 85% de la contrainte à la rupture, déterminée à partir du modèle d'endommagement. Ce niveau de charge a été choisi afin de réduire la durée des essais de fluage. L'analyse post essais des champs de déformation avec le modèle numérique sera réalisée au niveau de la nodosité pour étudier la pertinence des modèles implémentés qui seront ensuite modifiés si non convergence modèle-essais.

## Conclusion

Cette recherche représente la première phase de la thèse dédiée à la modélisation du comportement viscoélastique du bois massif qui présente des défauts. Elle met en évidence les données essentielles et propose une loi de comportement ainsi que le protocole expérimental nécessaire pour réaliser et valider les simulations. En conclusion, un modèle d'endommagement anisotrope à long terme pour le bois massif sera développé, apportant une contribution originale dans le domaine de bois de construction, puisque le sujet de l'endommagement-fluage du bois massif avec des défauts est traité que très rarement.

## Références

* Rebhi A (2024) Modélisation de l'endommagement d'un matériau hétérogène biosourcé : Application au bois massif, thèse de l'université de Bordeaux.

* Cariou J-L (1987) Caractérisation d'un matériau viscoélastique anisotrope : le bois, thèse de l'université Bordeaux 1.

* Guitard D (1987) Mécanique du matériau bois et composites, édition Cépaduès, 238p.

* Rebhi A, Chaplain M, Coureau J-L, Perez C (2023) Damage model for a biosourced heterogeneous material: application to timber, World Conference on Timber Engineering 19-22.06.23, Oslo, Norway, p. 209-215.
Résumés – Session C
# Capabilité d'un robot poly-articulé 6 axes pour l'usinage du bois massif

NASRI Linda, CURTI Rémi, LARRICQ Pierre, EYMA Florent

Institut Clément Ader (ICA) ; Université de Toulouse ; CNRS, IMT Mines Albi, UPS, INSA, ISAE-SUPAERO ; IUT de Tarbes, 1 Rue Lautréamont, 65000 Tarbes, France
linda.nasri@iut-tarbes.fr

**Mots clefs** : usinage ; robot ; chêne ; sapin ; qualité dimensionnelle et géométrique ; état de surface

## Contexte et objectifs

A une époque où les évolutions technologiques sont de plus en plus prégnantes, la robotique industrielle émerge comme l'une des technologies les plus influentes sur divers secteurs. Les robots industriels sont à la pointe de la technologie dans les industries électronique et automobile par rapport à d'autres secteurs tels que les métaux et machinerie (IFR 2022). L'utilisation des robots industriels dans les procédés d'usinage ne cesse d'augmenter dans le monde entier et les prévisions indiquent qu'elle continuera à croître (Iglesias et al 2015). Les robots industriels sont utilisés dans les procédés d'usinage car ils présentent de nombreux avantages, tels que : de grands espaces de travail, un nombre de degré de liberté (DDL) élevé, une grande flexibilité et un coût à l'investissement inférieur à celui des machines à commande numérique (Computer Numerical Control / CNC) (Kim et al 2019, Xu et al 2023). Pour autant, bien que les robots industriels présentent de nombreux avantages, seulement 0,2% de tous les robots industriels dans le monde sont utilisés dans les procédés d'usinage du bois d'après (Landscheidt et al. 2017), notamment du fait de leur faible précision d'usinage (Kim et al 2019). La rigidité du robot est le paramètre clé qui influence cette précision (Verl et al 2019). La structure sérielle du robot poly-articulé présente une rigidité inférieure à celle d'une machine CNC. La rigidité d'un robot poly-articulé est généralement inférieure à 1 N/µm, tandis qu'une machine CNC standard a très souvent une rigidité supérieure à 50 N/µm (Pan et al 2006). Pour la seconde transformation du bois, la précision recherchée est, pour une grande variété d'applications, moins contraignante qu'en usinage des métaux. Aussi, il est donc intéressant de déterminer le potentiel de cette technologie pour ces applications où les limitations impliquées par la robustesse du procédé d'usinage auront potentiellement moins d'impact sur le produit fini. Dans la littérature, quelques études ont déjà été menées pour comparer la qualité d'usinage obtenue lors de l'usinage robotisé à celle obtenue avec une machine CNC.

Généralement, la qualité de surface est équivalente ou meilleure en usinage sur machine CNC qu'avec un robot. Ce constat a été fait par (Behrang 2014) sur de l'aluminium ou (Slamani et al 2016) sur du composite stratifié.

En termes de qualité dimensionnelle, elle est systématiquement supérieure sur machine à commande numérique en usinage des matériaux métalliques à paramètres équivalents. (Pantscharowitsch et Kromoser 2022) ont montré que c'était également le cas en usinage du bois lamellé-collé.

Par ailleurs, il est notable qu'en usinage robotisé, la configuration du robot a elle aussi une influence sur la qualité dimensionnelle ainsi que sur la qualité de surface (Feng et al 2021, Xu et al 2023). Ces deux critères pouvant être importants en fonction de la destination des bois usinés (construction, menuiserie ou ameublement).
En usinage du bois massif, on ne trouve pas encore d'évaluation de la qualité issue d'un usinage robotisé. Obtenir une qualité de surface acceptable du bois est l'objectif principal de tous les processus d'usinage pour toutes les applications (Ramanakoto et al 2017). L'évaluation de cette qualité d'usinage du bois à l'aide d'un robot poly-articulé, est donc nécessaire. La précision dimensionnelle, la qualité de surface ainsi que la qualité géométrique de la pièce produite sont les principaux critères d'évaluation permettant de déterminer la capabilité d'un robot en usinage (Ji et Wang 2019). Les objectifs de ces travaux de recherche sont donc d'évaluer la capabilité d'un robot poly-articulé 6-axes en usinage du bois, en comparant les résultats obtenus avec la référence actuelle dans l'industrie de la seconde transformation du bois, à savoir la défonceuse à commande numérique ; et ce, à la fois en termes de (1) qualité dimensionnelle, (2) qualité géométrique et (3) d'état de surface.

## Matériels et méthodes

Afin d'évaluer la capacité d'un robot polyarticulé 6 axes à usiner du bois massif, nous avons choisi deux essences de bois locales présentes, entre autres, dans le sud-ouest de la France : un bois feuillu, le chêne, et un bois résineux, le sapin. Les éprouvettes en sapin (Fig. 1) mesurant chacune 200 × 180 × 19 mm³, et en chêne (Fig. 2) mesurant chacune 200 × 180 × 36 mm³. Toutes les éprouvettes ont été débitées sur faux-quartier.

<figure><img src="image_251.png" /><figcaption>Fig. 1 : Eprouvette en sapin</figcaption></figure>

<figure><img src="image_252.png" /><figcaption>Fig. 2 : Eprouvette en chêne</figcaption></figure>

L'usinage des éprouvettes a été effectué à l'aide de deux machines. D'une part, un robot 6 axes (Kuka Kr 70) avec une charge admissible maximale de 70 kg, une portée maximale de 2101 mm et une répétabilité de position donnée à +/- 0,05 mm, équipé d'une électrobroche d'usinage (HSD MT 1090 HSK A40). D'autre part, une défonceuse à commande numérique (Dubus 3 axes). Sur le robot d'usinage, 5 positions d'usinage (Fig. 3) ont été testées pour placer le robot dans des conditions différentes afin de déterminer l'influence de la position de ses axes. Ces essais ont été répétés 5 fois pour un total de 25 éprouvettes de chaque essence. Sur la défonceuse, une seule position a été utilisée, centrale sur la table de travail, pour servir de point de comparaison. Cet essai a également été répété 5 fois. Au total 30 éprouvettes ont donc été usinées pour chaque essence, dont 25 éprouvettes à l'aide du robot et 5 éprouvettes avec la défonceuse. Les éprouvettes ont toutes été usinées avec les mêmes paramètres de coupe caractéristiques d'un usinage en ébauche soignée (vitesse de rotation : 15000 tr/min ; vitesse de coupe : 12,57 m/s ; vitesse d'avance : 10 m/min ; vitesse d'avance en plongée : 0,5 m/min ; engagement axiale en surfaçage : 3 mm ; engagement radiale en contournage : 3 mm). L'outil de coupe utilisé est une fraise à 2 dents en acier rapide, de diamètre 16 mm et possédant un
angle d'hélice de 30°. L'évaluation de la capabilité du robot pour l'usinage a été effectué à travers trois types de contrôles (Fig. 4).

<figure><img src="image_253.png" /><figcaption>Fig. 3 : Illustration des cinq positions d'usinage avec le robot</figcaption></figure>

Le contrôle dimensionnel consiste à déterminer l'écart entre les dimensions nominales des échantillons et leurs dimensions réelles après usinage (longueurs, profondeurs, entraxes). Pour chaque cote, l'erreur absolue moyenne (MAE) a été calculée, à la fois pour les usinages avec la défonceuse et pour chaque position en usinage avec le robot. Le contrôle géométrique permet d'évaluer des spécifications géométriques telles que la planéité, le parallélisme, la perpendicularité et la localisation. De même, pour chaque spécification géométrique l'erreur moyenne a été déterminée, en usinage avec la défonceuse et pour chaque position en usinage robotisé. Ces contrôles ont été effectués à l'aide d'une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT DEA GAMMA 1203). Nous avons ensuite comparé les états de surface obtenus avec le robot à ceux obtenus avec la défonceuse. Plusieurs paramètres d'états de surface ont été mesurés à cette fin à l'aide d'un perthomètre Mahr (MarSurf CM mobile).

<figure><img src="image_254.png" /><figcaption>Fig. 4 : Dimensions, spécifications géométriques et états de surface contrôlés</figcaption></figure>
Résultats

Ces essais nous ont permis d'évaluer la qualité dimensionnelle, géométrique et l'état de surface en usinage robotisé du bois (pour du chêne et du sapin), tout en comparant ces derniers aux résultats obtenus avec la défonceuse à commande numérique. Dans cette section, nous ne présentons qu'un résultat par type de contrôle. La qualité dimensionnelle obtenue en usinage avec la défonceuse est généralement meilleure qu'en usinage avec le robot. Toutefois, certaines configurations du robot permettent d'avoir des qualités dimensionnelles comparables à celles obtenues en usinage avec la défonceuse. Que ce soit sur le chêne ou le sapin, les résultats obtenus avec le robot montrent que les écarts sur les longueurs ne dépassent pas 0,3 mm (Fig. 5), les écarts sur les profondeurs ne dépassent pas 0,35 mm et les écarts sur les entraxes ne dépassent pas 0,25 mm. La qualité géométrique est elle aussi généralement supérieure en usinage avec la défonceuse qu'en usinage avec le robot. Cependant, certaines configurations en usinage robotisé permettent également d'atteindre une qualité géométrique comparable. Pour les deux essences, les résultats obtenus avec le robot montrent que le défaut de planéité ne dépasse pas 0,3 mm, le défaut de parallélisme ne dépasse pas 0,3 mm (Fig. 6), le défaut de perpendicularité est généralement inférieur à 0,5 mm sauf sur certaines positions, et que le défaut de localisation est inférieur à 0,3 mm.

Globalement, en termes de répétabilité, la différence entre le plus grand et le plus petit écart dimensionnel et géométrique sur une position donnée est de l'ordre d'un dixième de mm, sauf quelques points aberrants.

En termes d'état de surface, les résultats du paramètre de rugosité Sa (hauteur moyenne arithmétique) en usinage robotisé sont similaires à ceux obtenus avec la défonceuse (Fig. 7). De plus, la configuration du robot n'a pas influencé significativement l'état de surface lors de l'usinage du bois pour les deux essences étudiées.

<figure><img src="image_255.png" /><figcaption>Fig.5 : Résultats de contrôle de longueurs pour l'usinage du chêne</figcaption></figure>
<figure><img src="image_256.png" /><figcaption>Fig.6 : Résultats des défauts de parallélisme pour l’usinage du chêne</figcaption></figure>

<figure><img src="image_257.png" /><figcaption>Fig.7 : Résultats de paramètre Sa (hauteur moyenne arithmétique) de rugosité pour l’usinage en bout du chêne</figcaption></figure>

## Conclusion et perspectives

Dans ces travaux de recherche nous avons évalué la capabilité d'un robot polyarticulé 6 axes en usinage du bois massif sur du sapin et du chêne en termes de qualité dimensionnelle, géométrique et d'états de surface, en prenant comme référence une défonceuse à commande numérique. Nos résultats constituent une première étape dans la compréhension des phénomènes mis en jeu lors d'un usinage robotisé, et permettent d'appréhender la qualité que l'on peut atteindre en usinage du bois à l'aide d'un robot ainsi que les potentielles applications en fonction de leurs tolérances. Par la suite, notre objectif est d'étudier le lien entre les états de surface du bois usiné sous différentes orientations et des signaux mesurés durant l'usinage (efforts de coupe, émission acoustique). Cela permettra d'estimer la qualité de surface du bois usiné par l'observation de ces signaux, et par conséquent, d'identifier les zones présentant un état de surface satisfaisant vis-à-vis d'un objectif donné et celles présentant un état de surface nécessitant un parachèvement.

## Remerciements

Nous souhaitons remercier l'agglomération de Tarbes Lourdes Pyrénées, l'IUT de Tarbes et la Région Occitanie pour leur support financier.
Références

Behrang M (2014) Robotic machining: Evaluation of the positioning accuracy and the machined surface quality, thèse de l'université du Québec.

Feng L, Zhao W, Zhang Z, Yan P, Cheng M, Jiao L, Qiu T (2021) Effect of Postures and Cutting Process on Robot Milling Performance and Surface Quality. International Journal of Intelligent Robotics and Applications, p. 639-647. https://doi.org/10.1007/978-3-030-89098-8_60

IFR (International Federation of Robotics) (2022) World robotics 2022—Industrial robots.

Iglesias I, Sebastián MA, Ares JE (2015) Overview of the State of Robotic Machining: Current Situation and Future Potential. Procedia Engineering, 132:911-917. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.12.577

Ji W, Wang L (2019) Industrial robotic machining: A review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 103(1-4):1239-1255. https://doi.org/10.1007/s00170-019-03403-z

Kim SH, Nam E, Ha TI, Hwang SH, Lee JH, Park SH, Min BK (2019) Robotic Machining: A Review of Recent Progress. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 20(9):1629-1642. https://doi.org/10.1007/s12541-019-00187-w

Landscheidt S, Kans M, Winroth M (2017) Opportunities for Robotic Automation in Wood Product Industries: The Supplier and System Integrators Perspective. Procedia Manufacturing, 11:233-240. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2017.07.231

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# Caractérisation expérimentale et modélisation de lamelles aboutées-panneautées de chêne homogénéisées

CORDEIRO Silva¹,², SOH MBOU Delin¹, POT Guillaume¹, MARCON Bertrand¹, VIGUIER Joffrey¹, MILHE Louis¹, CHASTAGNIER Thibault³, LOUVET Thibaut³, LANVIN Jean-Denis⁴, REULING Didier⁴

¹Arts et Metiers Sciences et Technologies, LABOMAP, Université Bourgogne Franche-Comté, F-71250 Cluny, France

²Master Génie mécanique et matériaux, Université Bretagne Sud, Lorient, France

³Ducerf Groupe, Le Bourg, 71120 Vendenesse-lès-Charolles, France

⁴FCBA, Allée de Boutaut BP227, 33028 Bordeaux, France.

[silvcordeiro2019@gmail.com](mailto:silvcordeiro2019@gmail.com)

**Mots clefs** : Feuillus, Bois de Qualité Secondaire, Propriétés mécaniques, Lamellé-collé, Traction, Modélisation numérique

## Contexte et Objectifs

Le bois, en tant que matériau naturel et renouvelable, joue un rôle important dans les secteurs de la construction et du mobilier. Parmi les différentes essences de bois, le chêne se distingue historiquement pour sa robustesse et sa longévité, faisant de lui un choix privilégié dans ces industries. Cependant, son utilisation dans la construction a diminué au fil des ans, bien que les chênes sessile et pédonculé demeurent la première ressource de bois en France métropolitaine (23 % du volume de bois sur pied à l'horizon 2035, Bureau d'Informations et de Prévisions Economiques, FCBA 2019).

Les bois feuillus, tels que le chêne, posent des défis particuliers lors de leur utilisation dans des applications structurelles, notamment en raison de leur hétérogénéité marquée. Contrairement aux bois résineux, qui sont plus homogènes et plus faciles à travailler, les lamelles de feuillus utilisées dans les lamellé-collés présentent un plus grand nombre d'aboutages par entures (comme illustré dans la Fig. 1b). De plus, les contraintes de coût matière limitent aussi la largeur des courçons les constituant. Afin de produire des poutres de lamellé-collé suffisamment larges, une solution est de panneauter dans la largeur pour obtenir des lamelles aboutées-panneautées (LAP).

<figure><img src="image_258.png" /><figcaption>Fig. 1 : (a) Schéma d'une poutre lamellé-collé. (b) Comparaison schématique entre une lamelle aboutée-panneautée de bois feuillus (en haut) et une lamelle de résineux (en bas), la couleur représentant le module élastique (Soh Mbou et al. 2023).</figcaption></figure>
Une étude antérieure menée par Soh Mbou et al. (2023), purement numérique, a mis en lumière un problème possible des lamelles aboutées-panneautées en chêne en raison d'une hétérogénéité des contraintes significative sous sollicitation de traction (la sollicitation limitante pour le lamellé-collé - cf. EN 14080 2013). Cette hétérogénéité entraînerait des concentrations de contraintes locales (ou, « surcontraintes ») pouvant dépasser de 40 % la contrainte moyenne, compromettant la performance structurelle globale. Selon Soh Mbou et al. (2023), un tri préalable des courçons, basé sur leurs modules d'élasticité longitudinal (MOE), permettrait de réduire ces concentrations de contrainte de moitié.

Ce travail vise à approfondir ces précédents résultats à travers des essais expérimentaux comparés à une modélisation numérique, en se focalisant sur l'impact de l'hétérogénéité des lamelles sur la performance mécanique des LAP de bois feuillus. L'objectif principal est d'explorer comment ces variations internes de MOE influencent la résistance mécanique des LAP et d'identifier des moyens non-destructifs pour améliorer leurs caractéristiques dans un contexte de production à partir de bois de qualité secondaire.

## Matériels et Méthodes

### Tri et fabrication des LAP

À partir d'un ensemble de 365 courçons de chêne sessile ou pédonculé de section 21×105 mm², 29 LAP de dimensions 19,5×200×3000 mm³ ont été fabriquées en vue d'être testées. La sélection des courçons a été réalisée en fonction de leur MOE mesuré de façon non destructive par méthode vibratoire (BING®, CIRAD, Paradis et al. 2017). Ainsi, comme le montre la Fig. 2a, la valeur de référence médiane du groupe d'éprouvettes testé est de 12,8 GPa. Les courçons présentant un MOE inférieur à cette valeur, 96 courçons ont été classés comme "faibles", tandis que ceux ayant un MOE supérieur à cette valeur, 109 courçons ont été considérés comme "forts". Les 160 courçons restants forment un troisième groupe composé de courçons sans sélection particulière, dénommé « aléatoire ».

Les courçons ont ensuite été assemblés pour former trois types de LAP : 8 LAP "faibles" (composés de courçons avec un MOE faible), 9 LAP "fortes" (composés de courçons avec un MOE élevé) et enfin 12 LAP "aléatoires".

<figure><img src="image_259.png" /><figcaption>Fig. 2a - Distribution de MOE longitudinal des courçons</figcaption></figure>

<figure><img src="image_260.png" /><figcaption>Fig. 2b - Distribution des MOE Longitudinal des courçons utilisés pour la fabrication des LAP</figcaption></figure>

La Fig. 2b montre la distribution du MOE des courçons selon les LAP fabriquées. La superposition des courbes de distribution révèle que les LAP "faibles" et "fortes" sont plus homogènes, comme le montre la faible dispersion des MOE autour de leurs médianes respectives. En revanche, les LAP "aléatoires" affichent une distribution plus étendue, indiquant une plus grande variabilité dans la composition des courçons.
## Essais de Traction

Les essais de traction ont été effectués afin d'évaluer la résistance mécanique des 29 LAP et d'analyser l'impact du tri effectué sur les courçons. La Fig. 3 illustre le dispositif d'essai, dans lequel chaque panneau, d'une longueur totale de 3000 mm, est soumis à une force de traction F. L'objectif est de faire en sorte que le maximum d'aboutages présents dans les LAP soit testés. Les extrémités des LAP sont maintenues dans des mors longs de 300 mm, ce qui assure une zone de test utile de 2400 mm au centre du panneau.

<figure><img src="image_261.png" /><figcaption>Fig. 3 : Configuration d'essai - Le panneau de 3 m mais le longueur testée hors mors est de 2,4 m</figcaption></figure>

En parallèle, un système de stéréo-corrélation corrélation d'images (StrainMaster, LaVision©) a été installé pour observer l'évolution des déformations tout au long du panneau pendant les essais. Ce système permet une analyse précise de l'hétérogénéité des LAP, notamment en identifiant les zones les plus déformées en raison des variations de MOE. Des extensomètres virtuels intégrés dans le logiciel DaVis (LaVision©) ont été utilisés pour des mesures précises des déformations des LAP, permettant de remonter aux MOE « statiques » locaux, garantissant une analyse complète des propriétés mécaniques des LAP.

## Modélisation Numérique

Une modélisation par éléments finis a été réalisée pour simuler les essais de traction et analyser la répartition des déformations et contraintes dans les LAP. Le modèle, de type orthotrope, prend en compte les propriétés mécaniques différenciées du matériau dans les trois directions principales (longitudinale, radiale et tangentielle), reflétant ainsi la nature anisotrope du bois. Cependant, chaque courçon est considéré comme étant homogène. Les singularités telles que les nœuds ou autres défauts locaux n'ont pas été incluses, et les liaisons entre les courçons (aboutage comme panneautage) ont été modélisés comme des liaisons parfaites (voir Fig. 4).

<figure><img src="image_262.png" /><figcaption>Fig. 4 : Modélisation éléments finis sur Abaqus™, avec n courçons homogènes pour n propriétés matériau associées</figcaption></figure>

Les propriétés mécaniques utilisées dans le modèle ont été déterminées à partir des valeurs de MOE issues de l'analyse vibratoire non destructive pour chaque courçon. Le module longitudinal a été pris égal au MOE vibratoire, tandis que les modules d'élasticité dans les directions radiale et tangentielle, ainsi que les modules de cisaillement, ont été calculées à l'aide des rapports indiqués par Kretschmann (2010) pour le chêne blanc. A partir des résultats du calcul du modèle éléments finis, un indicateur de l'hétérogénéité des contraintes a été calculé, le Rapport de Sur-Contraintes (RSC), analogue à un coefficient de concentration de contrainte. Il est calculé par le rapport entre la contrainte de traction moyenne ($\sigma_{moyenne}$) appliquée sur tout le panneau et la contrainte longitudinale maximale ($\sigma_{Max}$) comme indiqué par l'Equation
1. Une étude de convergence a été menée vis-à-vis du nombre d'éléments afin d'avoir un maximum de contrainte déterminé correctement et non dépendant du maillage (éléments hexaédriques de côté 6 mm à interpolation quadratique). La Fig. 5 montre la répartition des contraintes sur un panneau mettant bien en évidence l'hétérogénéité et la concentration de contrainte pouvant exister entre courçons contigus.

$$RSC = \frac{\sigma_{Max}}{\sigma_{moyenne}} \qquad \text{Equation 1}$$

<figure><img src="image_263.png" /><figcaption>Fig. 5 : Exemple de répartition des contraintes longitudinales sur un panneau et zone de contrainte maximale où le RSC sera également maximal</figcaption></figure>

## Résultats et discussions

Les résultats pour l'ensemble des LAP en termes de MOE et de résistance sont présentés Fig. 6a et 6b. En comparant en détails les trois lots de LAP (faible, fort, aléatoire), plusieurs observations importantes peuvent être faites :

- Lot Fort : Les LAP composées de courçons avec un MOE élevé présentent une distribution de résistance relativement resserrée, avec des valeurs globalement plus élevées, ce qui indique une meilleure résistance mécanique et une plus grande homogénéité.

- Lot Aléatoire : Ce lot présente la plus grande dispersion des valeurs de résistance ainsi que les valeurs les plus faibles. L'absence de tri rigoureux selon le MOE se traduit par une variabilité accrue des propriétés mécaniques, rendant les LAP plus imprévisibles en termes de résistance.

- Lot Faible : Bien qu'ayant des valeurs de MOE de courçons plus faibles que pour les LAP aléatoires, les valeurs de résistance sont plus grandes. Elles restent cependant inférieures au lot fort.

L'homogénéité des LAP apparaît donc comme un facteur primordial dans l'explication de leur résistance en traction. Par conséquent, la corrélation entre le MOE des LAP et leur résistance (Fig. 6b) se révèle très faible ($R^2 = 0.1$), contrairement au comportement habituel du matériau bois. Cette relation n'est donc pas assez précise pour prédire la résistance des LAP de manière fiable.

L'indicateur RSC apparaît plus pertinent pour évaluer la résistance des LAP (Fig. 7). En effet, les LAP présentant un RSC plus faible tendent à être plus homogènes, et donc à avoir une résistance plus élevée. En revanche, la zone rouge dans la Fig. 7 représente une région où les LAP auraient résisté moins que prévu par rapport à leur RSC. Aucun panneau n'est effectivement situé dans la zone rouge, cela confirme que l'utilisation du RSC comme indicateur est un outil efficace pour mieux anticiper les performances mécaniques, surtout dans des contextes où le MOE seul ne donne pas une image complète de la résistance du matériau.

D'un point de vue technologique, il est essentiel de noter que les LAP du lot aléatoire présentaient une résistance caractéristique de 11,3 MPa, contre 17,7 MPa pour les LAP du lot
faible et 20,2 MPa pour celles du lot fort. Or, la valeur cible était de 14 MPa (équivalent de résistance en traction de la classe D24), ce qui illustre bien l'importance capitale de l'homogénéité de ces LAP pour bien valoriser la ressource utilisée.

<figure><img src="image_264.png" /><figcaption>Fig. 6a : Distribution de MOR de chaque lot</figcaption></figure>

<figure><img src="image_265.png" /><figcaption>Fig. 6b : Relation entre MOR et MOE longitudinal des LAP</figcaption></figure>

<figure><img src="image_266.png" /><figcaption>Fig. 7 : Relation entre le MOR et le Rapport de Sur-Contrainte (RSC) des LAP</figcaption></figure>

## Conclusion

Cette étude montre l'impact crucial de l'hétérogénéité des MOE des courçons de bois feuillus utilisés pour la fabrication de LAP sur leurs performances mécaniques. Les résultats soulignent l'importance de la sélection des courçons constituant les lamelles en fonction de leurs propriétés mécaniques. L'hétérogénéité interne, représentée ici par les variations de MOE, influence directement la fiabilité et la performance des LAP. Un indicateur, le Rapport de Sur-Contraintes (RSC) a été proposé pour estimer la résistance des LAP, surpassant le MOE global vibratoire traditionnellement utilisé.

D'un point de vue technologique, il apparaît qu'une homogénéisation des courçons selon leur MOE grâce à un tri réalisé par machine vibratoire longitudinale permettrait d'atteindre des résistances bien supérieures pour une même ressource. Le tri proposé ici permet d'atteindre une classe T18 pour les LAP constituées de courçons de MOE fort. Pour les LAP constituées de courçons de modules faibles, le MOE moyen deviendrait le facteur limitant malgré une bonne résistance et ne permettrait d'obtenir qu'une classe T11 malgré une résistance caractéristique très importante.
Etant donné le faible nombre de lamelles testées, ces chiffres demandent validation, mais la tendance est très claire : la maîtrise de l'hétérogénéité de MoE des LAP est primordiale pour optimiser leur résistance, et donc très certainement également celle des produits en lamellé-collé les utilisant.

## Remerciements

Ce projet est soutenu financièrement par l'ADEME au travers des projet de recherche TreCEffiQuaS, et CHOC.

## Références

Bureau d'Informations et de Prévisions Economiques, FCBA (2019) Étude prospective : Évolution de la demande finale du bois dans la construction, la rénovation et l'aménagement des bâtiments. ADEME, France Bois Forêt, CODIFAB.

EN 14080 (2013). Timber structures — Glued laminated timber and glued solid timber — Requirements.

Kretschmann D. (2010) Wood handbook, chapter 05: mechanical properties of wood. Forest Products Laboratory, Department of Agriculture Forest Service, Madison, Wisconsin, USA.

Paradis S, Brancheriau L, Bailleres H (2017) Bing: Beam Identification by Non destructive Grading.

Soh Mbou D, Pot G, Viguier J, Besseau B, Milhe L, Rolle J (2023) Modélisation de l'hétérogénéité des contraintes dans les lamelles aboutées panneautées de chêne. In: Actes des 12e journées scientifiques du GDR 3544 Sciences du Bois. HAL, Limoges, France.

Soh Mbou D, Besseau B, Pot G, Viguier J, Marcon B, Milhe L, Lanvin J-D, Reuling D (2024) Oak timber cross-cutting based on fiber orientation scanning and mechanical modelling to ensure finger-joints strength. In: 11th Hardwood Conference. Sopron, Hungary.
# Comparaison des processus de fissuration des bois tropicaux pour la mobilité

HOUNGBEGNON Riccardo<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, JAILIN Thomas<fnref n="1" />, DOKO Valery<fnref n="2" />, BLAYSAT Benoît<fnref n="1" />, SAUVAT Nicolas<fnref n="1" />, GRIL Joseph<fnref n="1" />, RECHO Naman<fnref n="1" />, XAVIER José<fnref n="3" />, DUBOIS Frédéric<fnref n="4" />, MOUTOU PITTI Rostand<fnref n="1" />,<fnref n="5" />

**Mots clefs** : *Khaya Ivorensis* ; *Magnolia Obovata* ; Méthode de la complaisance ; Analyse Spectrale Localisée ; Mobilité ; Fissuration.

## Contexte et objectifs

Il y a quelques années encore, les satellites étaient conçus en utilisant des matériaux comme l'aluminium, le titane, l'acier et les alliages. Mais après leur détérioration quelques décennies plus tard, leurs composants devenaient des débris spatiaux susceptibles de causer des dommages aux stations spatiales encore en activité. Des réflexions ont alors été menées dans le sens de l'utilisation du bois comme matériau de mobilité, de par sa légèreté, sa résistance et sa faculté à se consumer à son entrée dans l'atmosphère (Castané et al 2022). Cela a conduit à la conception du premier satellite en bois de *Magnolia Obovata*, essence Japonaise possédant de bonnes propriétés. Ce travail a pour objectif d'étudier de nouvelles essences pouvant se substituer au *Magnolia Obovata*, en prévision d'une utilisation croissante du bois comme matériau pertinent pour les véhicules. Nous avons donc comparé les processus de fissuration du *Khaya Ivorensis*, essence tropicale africaine peu connue, à ceux du *Magnolia Obovata* en vue d'évaluer leur durabilité face à des charges pouvant s'appliquer aux véhicules mobiles par exemple. Nous nous sommes donc concentrés sur des essais de fissuration en utilisant une méthode nouvelle, efficace dans la détermination des champs de déformations et de déplacements, afin d'évaluer au mieux les caractéristiques de fissuration de ces deux essences.

## Matériaux et méthodes

### Essences étudiées

Deux essences de bois ont été utilisées pour effectuer les essais de fissuration. Il s'agit de *Magnolia obovata* et de *Khaya Ivorensis*. *Magnolia obovata* utilisé provient du Japon où il a été conservé sous atmosphère tempérée humide. *Khaya ivorensis*, quant à lui, provient du Bénin où le bois d'Acajou d'Afrique a été coupé et séché par voie naturelle sous atmosphère tropicale pendant une période d'un (1) mois. *Khaya ivorensis* a été choisi sur la base des données du CIRAD (1998), notamment sa densité, ses résistances en compression et flexion relativement proches de celles du *Magnolia obovata*, sa dureté, sa stabilité dimensionnelle, mais également sa disponibilité. Notons qu'après acquisition du *Khaya ivorensis*, une différence de densité a été constatée par rapport aux données du CIRAD (500 à 680 kg/m<fnref n="3" /> pour le CIRAD et 800 kg/m<fnref n="3" />

<footnote n="1">¹Université Clermont Auvergne, CNRS, Clermont Auvergne INP, Institut Pascal, F-63000, Clermont-Ferrand, France</footnote>

<footnote n="2">²Université d'Abomey-Calavi, Ecole Polytechnique d'Abomey-Calavi, Abomey-Calavi, Bénin</footnote>

<footnote n="3">³University of Lisboa, Lisbon, Portugal</footnote>

<footnote n="4">⁴Université de Limoges, GC2D, 19300, Égletons, France</footnote>

<footnote n="5">⁵CENAREST, IRT, BP 14070, Libreville, Gabon</footnote>

<footnote>Mahugnon_Riccardo.HOUNGBEGNON@etu.uca.fr</footnote>
pour notre étude). Les planches ont ensuite été découpées en scierie. Quelques propriétés mécaniques des deux essences sont présentées dans le Tab. 1.

Pour réaliser nos essais, nous avons utilisé des éprouvettes de type MMCG (Mixte Mode Crack Growth) modifiées (Fig. 1). L'éprouvette MMCG a été développée par Moutou Pitti (2008), en faisant un harmonieux compromis entre les éprouvettes DCB (Double Cantilever Beam) à inertie variable et CTS (Compact Tension Shear). L'avantage de l'éprouvette MMCG est que la fissure se propage de manière stable après son apparition, contrairement à l'éprouvette CTS. Nos éprouvettes, d'une épaisseur de 12 mm ont été découpées au Laser.

<table><caption>Tab. 1 : Propriétés mécaniques du *Khaya Ivorensis* et du *Magnolia Obovata*</caption><thead><tr><th>Essences</th><th>Densité (kg/m³)</th><th>Dureté</th><th>Module d'élasticité longitudinal (MPa)</th><th>Contrainte de rupture en flexion statique (MPa)</th><th>Contrainte de rupture en compression parallèle (MPa)</th><th>Retrait volumique total (%)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Magnolia obovata</td><td>550</td><td>1,1</td><td>7 500 à 10 300</td><td>59 à 82</td><td>31 à 43</td><td>10 à 13</td></tr><tr><td>Khaya ivorensis</td><td>800</td><td>2,4</td><td>9 500</td><td>85</td><td>46</td><td>12 à 13</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_267.png" /><figcaption>Fig. 1 : Eprouvette MMCG modifiée : (a) géométrie ; (b) Magnolia Obovata ; (c) Khaya ivorensis</figcaption></figure>

## Méthode LSA et Essai de fissuration

L'analyse spectrale localisée est une technique développée pour extraire les champs de déplacement à partir d'images de motifs périodiques tels que les grilles 2D et les damiers, en minimisant le résidu optique dans le domaine de Fourrier (Blaysat et al 2024). Pour réaliser les essais, un système Arcan en acier a été utilisé (Odounga 2018). Sa forme révèle un espace au milieu afin que le motif en damier gravé sur les spécimens soit visible et adapté à tous les modes de sollicitation, y compris le mode mixte avec ses différents angles de sollicitation (voir Fig. 2a). Une machine de traction-compression Zwick/Roel d'une capacité de 200 kN, représentée sur la Fig. 2b, a été utilisée pour réaliser les essais. Deux caméras (une de chaque côté du système) montées sur des trépieds ont permis de photographier le damier pendant les essais.

## Résultats

L'utilisation de deux caméras au cours des essais nous a permis de voir l'évolution de la fissure sur les deux faces de l'éprouvette. Nous notons des valeurs d'allongement de fissures légèrement plus élevées au niveau de la CAM1, d'une part en raison de la différence de résolution entre les deux caméras et d'autre part, en raison de la distance séparant chacune d'elle de l'éprouvette (70 cm pour la CAM1 et 20 cm pour la CAM2). La différence reste tout de même relativement faible (exemple de l'éprouvette K1P23 au tableau 2) avec une moyenne de 5 %.
<figure><img src="image_268.png" /><figcaption>Fig. 2 : (a) Système Arcan ; (b) Dispositif expérimental</figcaption></figure>

<table><caption>Tab. 2 : Comparaison des valeurs de $\Delta a$ données par les CAM 1 et 2 pour l'éprouvette K1P23</caption><thead><tr><th rowspan="2">Eprouvettes</th><th rowspan="2">Temps (s)</th><th rowspan="2">Fc (N)</th><th colspan="2">Δa (mm)</th><th rowspan="2">Différence (%)</th><th rowspan="2">Moyenne (%)</th></tr><tr><th>CAM 1</th><th>CAM 2</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="5">K1P23</td><td>522</td><td>291</td><td>28,39</td><td>27,75</td><td>2</td><td rowspan="5">5</td></tr><tr><td>557</td><td>320</td><td>31,41</td><td>28,41</td><td>11</td></tr><tr><td>625</td><td>366</td><td>32,82</td><td>31,67</td><td>4</td></tr><tr><td>968</td><td>535</td><td>51,06</td><td>49,29</td><td>4</td></tr><tr><td>1107</td><td>550</td><td>63,18</td><td>60,90</td><td>4</td></tr></tbody></table>

Le calcul du taux de restitution d'énergie a été effectué par la méthode la complaisance en déplacement imposé, donné par la formule de Griffith :

$$G = \frac{F^2}{2b} \left( \frac{\Delta C}{\Delta a} \right)_d$$

avec F la force ayant causé une avancée de la fissure, $\Delta C$ la complaisance, $\Delta a$ l'incrément de fissure, et b l'épaisseur de l'éprouvette.

Ainsi, en mode d'ouverture de fissure, nous obtenons les courbes du taux de restitution d'énergie en fonction de l'avancée de fissure pour les essences de *Khaya ivorensis* et de *Magnolia obovata* (Fig. 3).

<figure><img src="image_269.png" /><figcaption>Fig. 3 : Taux de restitution d'énergie en fonction de l'avancée de fissure</figcaption></figure>

La densité ainsi que l'humidité des éprouvettes testées a été mesurée lors des essais. Elles sont reportées dans le tableau ci-après :
<table><caption>Tab. 3 : Densité et humidité des éprouvettes testées</caption><thead><tr><th>Eprouvettes</th><th>M1P11</th><th>M1P12</th><th>M1P14</th><th>K1P21</th><th>K1P23</th><th>K1P55</th></tr></thead><tbody><tr><th>Densité (kg/m³)</th><td>555</td><td>545</td><td>550</td><td>790</td><td>790</td><td>785</td></tr><tr><th>Humidité (%)</th><td>12</td><td>12</td><td>12</td><td>13</td><td>13</td><td>13</td></tr></tbody></table>

## Conclusion

Les essais de fissuration réalisés sur les essences de *Khaya ivorensis* et de *Magnolia obovata* montrent de belles performances en résistance à la fissuration, surtout pour le *Khaya ivorensis*, et cohérentes avec les densités. L'utilisation de *Khaya ivorensis* comme matériau de mobilité serait une grande valorisation de cette essence peu connue et contribuerait à la diffusion de la culture des bois tropicaux dans le monde entier. Le calcul des paramètres de fissuration avec prise en compte de la variation d'humidité et de température, ainsi que l'évaluation de l'impact du vieillissement et du stress répété sur la durabilité de *Khaya ivorensis*, constituent des perspectives à ce travail.

## Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier le programme CIT ITPS Cap2025 (UCA) et l'ANR via les projets WoodMob, Emergence et DIAMWOOD pour le soutien apporté à ce travail.

## Références

Blaysat B, Sur F, Jailin T, Vinel A, Grédiac M (2024) Open LSA : une boîte à outils à code source ouvert pour le calcul des déplacements plein champ à partir d'images de motifs périodiques, SoftwareX, 1-17, doi : 10.2139/ssrn.4784553.

Castané B, Bouvet C, Serra J, Eyma F, Cantarel A (2022) Le bois, un matériau pour la mobilité durable ?, 2ème Conférence sur les Eco-Matériaux en Afrique, 1-4.

Moutou Pitti R (2008) Découplage de la rupture en mode mixte dans les matériaux viscoélastiques orthotropes : Modélisation et expérimentation, thèse de l'Université de Limoges, 162 p.

Odounga B (2018) Étude de la fissuration des bois tropicaux par mesures des champs, thèse de l'Université Clermont Auvergne, 207 p.

Gérard J, Edi Kouassi A, Daigremont C, Détienne P, Fouquet D, Vernay M (1998) Synthèse sur les caractéristiques technologiques de référence des principaux bois commerciaux africains, CIRAD-Forêt, 18-21.
# Quantification de la capacité de dissipation d'énergie des arbres après un feu de forêt : cas du massif de Bitsch (CH)

NOYER Estelle<fnref n="1" />, MONOD Ella<fnref n="1" />, DLOUHA Jana<fnref n="2" />, KRAMER Lukas<fnref n="3" />

**Mots clefs** : feu, densité du bois, aubier, dissipation d'énergie, chute de pierre, forêt

## Contexte et objectifs

Depuis quelques décennies, l'augmentation des feux de forêts de forte intensité difficilement contrôlables (Bowman et al 2009) et le risque grandissant pour les zones originellement peu prônes aux incendies (Grünig et al 2023) préoccupent les gestionnaires forestiers du fait des altérations engendrées sur le fonctionnement et la dynamique des écosystèmes forestiers. Outre la forte mortalité des arbres, laissant un nombre de tiges brûlées sur pied conséquent, les dommages structuraux induits par le feu peuvent varier d'une réduction du volume du houppier à la destruction partielle du système racinaire plus ou moins superficiel réduisant la stabilité des individus, en passant par une carbonisation du bois des tiges sur pied. Les arbres survivants peuvent ne pas récupérer de ces dommages, menant à une mortalité différée dans le temps (Hood et al 2018, Busby et al 2024). A une plus fine échelle, les propriétés mécaniques des tiges à la suite d'un feu de forêt sont peu reportées (Rust 2015, Lukina et al 2022). Néanmoins, les impacts d'un traitement thermique sur les propriétés du bois sont mieux connus. Accompagné d'une perte de masse, le bois traité montrera une meilleure dureté matérielle et durabilité dans le temps mais aussi une plus grande vulnérabilité à l'impact et une réduction du module de rupture (Murata et al 2013, Candelier et al 2016), démontrant une altération potentielle des propriétés mécaniques de la tige.

Dans le cas des forêts de protection, une perturbation extrême se traduit par une perte de la capacité de protection de la forêt contre les dangers naturels (May et al 2023). Pour quantifier les impacts sur la fonction de protection contre les chutes de pierre, les modèles actuels (Volkwein et al 2011) décrivent l'effet protecteur d'une forêt contre les chutes de pierre en fonction de la densité des tiges (i.e. probabilité d'impact) ainsi que de la capacité des arbres à dissiper l'énergie lors d'un impact avec un block ($E_{diss,cap}$). Toutefois, ces modèles ont été calibrés sur des arbres sains, sous-entendant des propriétés du bois homogènes dans les scénarios testés.

Ce projet vise donc à estimer la capacité maximale de dissipation d'énergie des arbres brûlés afin d'évaluer l'effet protecteur d'une forêt après un feu de forêt. Une première partie se concentre sur l'estimation de l'effet protecteur du site de Bitsch dont le massif forestier a subi en juillet 2023 un feu de forêt intense et non contrôlable. De premières hypothèses sur les caractéristiques des arbres 1, 5 et 10 ans après le feu de forêt sont testés pour estimer l'effet protecteur. Une deuxième partie se focalise sur le développement d'une méthode en laboratoire pour la mesure des propriétés mécaniques pertinentes des tiges dans l'estimation de la capacité maximale de dissipation d'énergie permettant ainsi de valider les hypothèses développées en première partie. L'objectif final est de pouvoir répliquer *in vivo* les dommages causés par un

<footnote n="1">¹Haute Ecole Spécialisée Bernoise, HAFL, Zollikofen, Suisse</footnote>

<footnote n="2">² Université de Lorraine, AgroParisTech, INRAE, UMR Silva, 54000 Nancy, France</footnote>

<footnote n="3">³ Haute Ecole Spécialisée Bernoise, AHB, Bienne, Suisse
estelle.noyer@bfh.ch</footnote>
incendie sur les arbres survivants et de proposer aux praticiens une évaluation rapide de l'effet protecteur des peuplements touchés.

# Matériel et méthodes

## Site d'étude

Le site d'étude se situe proche de la ville de Bitsch dans le canton du Valais en Suisse (46.35, 8.01, altitude 1522 m). La localisation du site est en région montagneuse où la typologie présente des pentes moyennes de 35.95°. Le site est principalement composé de *Picea abies* (> 80 %) et dans de moindres proportions de *Pinus sylvestris*, *Pinus cembra* et *Larix decidua*.

Un feu de forêt a eu lieu du 17 juillet au 3 août 2023 (i.e. 19 jours) sous des conditions très venteuses, générant une expansion *via* le sol (30 à 40 cm de profondeur) ainsi que par les cimes. Les surfaces des zones brûlées, allant de 0.3 à 2 076 m², présentent une médiane de 28 m² et une moyenne de 118 m². Au total, 110 hectares ont brûlé sur l'ensemble du massif forestier.

## Effet protecteur du massif forestier de Bitsch contre les chutes de pierre

Pour chaque arbre du site d'étude dont le diamètre à 1.30 m est supérieur à 12 cm, le diamètre, la hauteur totale, la largeur de la couronne et la vitalité sont mesurés en juillet 2024 à partir d'un nuage de points réalisé avec un drone (M300RTK, DJI) équipé par une caméra multispectrale (MicaSense Altum). L'analyse du nuage de points avec le package lidR v. 4.1.2 (Roussel et al 2020) a permis d'extraire les caractéristiques architecturales des arbres. La vitalité des arbres a pu être apprécié *via* le calcul de deux indices de végétation à partir des données multispectrales : le NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) et le NPCRI (Normalized Pigment Chlorophyll Ratio Index). Une classification a permis par la suite la définition de zones forestières homogènes.

En complément, de premiers profils radiaux de la densité basique du bois et de la profondeur du bois conducteur ont été acquis sur un sous-échantillonnage de dix arbres (DBH = 18 ± 4 cm, six arbres brûlés et quatre arbres non brûlés) prélevés au mois d'août 2024.

L'estimation de la capacité maximale de dissipation d'énergie des tiges (*E*<sub>diss,cap</sub>, kJ) a été ajustée de Dorren et al (2006) de manière à prendre en compte la perte en masse du bois brûlé dans le temps et la réduction de la surface conductrice du bois. L'effet protecteur du site d'étude est estimé par le modèle RockFor3D (Dorren 2016). Une première simulation sans forêt est utilisée comme référence. Plusieurs simulations sont ensuite réalisées en modifiant les caractéristiques individuelles des arbres pour évaluer l'impact du feu de forêt sur la probabilité de chutes de pierre.

## Quantification des propriétés mécaniques des tiges en laboratoire

Les essais en laboratoire visent à quantifier la perte potentielle en *E*<sub>diss,cap</sub> des tiges brûlées et d'identifier les modifications à inclure au modèle existant. La capacité maximale de dissipation d'énergie définie par les modèles de chutes de pierre est basée sur des mécanismes de rupture multiples.

Dans ce contexte, des essais de flexion statique monotone à trois points sont prévus sur 30 grumes de *Picea abies* de 18 ± 4 cm de diamètre et 3 m de long, réparties en deux groupes (témoins et brûlées). Cette configuration permet d'évaluer la résultante de la déformation et de la rupture (i.e. flexion, cisaillement et compression perpendiculaire au grain). Les grumes fraîches seront traitées avant le début du processus de séchage pour se rapprocher des conditions *in situ*. Enfin, la combustion des grumes brûlées sera réalisée en chambre contrôlée et sur un seul côté de la tige pour imiter au mieux les dommages observés sur le site de Bitsch.
## Résultats préliminaires

Le carottage d'un sous-échantillonnage d'arbres a montré que les arbres non brûlés conduisent de la sève sur cca. 55 % de leur rayon, tandis que les arbres brûlés sévèrement ne présentent plus de surface conductrice. La densité basique du bois est aussi significativement affectée un an après le feu de forêt (médiane : 562.8 vs. 481.4 kg.m⁻³ chez les arbres non brûlés et brûlés, respectivement). Cette réduction de la densité du bois et la perte de la surface conductrice réduit en moyenne E<sub>diss,cap</sub> des arbres brûlés de 46 % (42.25 – 47.47 % pour l'ensemble des arbres).

L'inventaire réalisé à partir du nuage de points a pu identifier 808 arbres tandis que la classification a permis de définir 28 zones homogènes avec lesquelles les premières simulations ont été faites avec RockyFor3D. Les résultats en Fig. 1 montrent la probabilité de passage de block dans la zone d'étude. La comparaison entre la simulation de référence (sans forêt, Fig. 1 gauche) et avec une forêt saine (Fig. 1 droite) indique que l'effet protecteur s'illustre par une diminution de la longueur des couloirs de transit, limitant la probabilité de chutes de pierre sur les villages environnants. Les simulations avec les nouvelles valeurs de E<sub>diss,cap</sub> sont en cours de traitement.

<figure><img src="image_270.png" /><figcaption>Fig. 1 : Cartes de probabilité des trajectoires des chutes de pierre sur le site de Bitsch.</figcaption></figure>

## Conclusions et perspectives

Cette analyse préliminaire montre que l'altération des propriétés matérielles du bois des tiges brûlées diminue considérablement E<sub>diss,cap</sub> des arbres sur l'ensemble du peuplement. Ces premiers résultats permettent de mettre en avant la nécessité de prendre en compte les propriétés matérielles, aussi triviales soient-elles, dans l'estimation des paramètres contribuant à l'effet protecteur contre les chutes de pierre. Les simulations avec les valeurs de E<sub>diss,cap</sub> ajustées pourront quantifier la diminution potentielle de l'effet protecteur d'une forêt brûlée. Toutefois, basée sur des hypothèses théoriques, l'approche utilisée pour ajuster E<sub>diss,cap</sub> a besoin d'être comparé aux essais réalisés en laboratoire sur des tiges saines et brûlées artificiellement en conditions contrôlées. Une fois l'approche validée et ajustée, des hypothèses sur la perte en masse des arbres survivants et brûlés seront explorées afin de simuler l'état futur de la forêt de protection du massif de Bitsch.
## Remerciements

Ce projet est supporté par le programme Junior Scholars : BFH transversal de la Haute Ecole Spécialisée Bernoise BFH.

## Références

- Bowman DMJS, Balch JK, Artaxo P, et al (2009) Fire in the earth system. Science 324:481-484.

- Busby S, Evers C, Holz A (2024) Patterns, drivers, and implications of postfire delayed tree mortality in temperate conifer forests of the western UNITED STATES. Ecosphere 15(4):e4805.

- Candelier K, Thevenon M-F, Petrissans A, et al (2016) Control of wood thermal treatment and its effects on decay resistance: a review. Annals of Forest Science 73:571-583.

- Dorren L (2016) A Rockyfor3D (v5. 2) revealed—Transparent description of the complete 3D rockfall model.

- Dorren LKA, Berger F, Putters US (2006) Real-size experiments and 3-D simulation of rockfall on forested and non-forested slopes. Nat Hazards Earth Syst Sci 6:145-153.

- Grünig M, Seidl R, Senf C (2023) Increasing aridity causes larger and more severe forest fires across Europe. Global Change Biology 29:1648-1659.

- Hood SM, Varner JM, Van Mantgem P, Cansler CA (2018) Fire and tree death: Understanding and improving modeling of fire-induced tree mortality. Environmental Research Letters 13.

- Lukina A, Lisyatnikov M, Martinov V, et al (2022) Mechanical and microstructural changes in post-fire raw wood. AEJ 7:44-52.

- May D, Moos C, Dorren L, et al (2023) Quantifying the long-term recovery of the protective effect of forests against rockfall after stand-replacing disturbances. Frontiers in Forests and Global Change 6.

- Murata K, Watanabe Y, Nakano T (2013) Effect of Thermal Treatment on Fracture Properties and Adsorption Properties of Spruce Wood. Materials 6:4186-4197.

- Roussel J-R, Auty D, Tompalski NCC and P, et al (2020) lidR: An R package for analysis of airborne laser scanning (ALS) data. Remote Sensing of Environment 251:112061.

- Rust SM (2015) Classification of timber from Pinus radiata trees exposed to forest fires. PhD, Stellenbosch: Stellenbosch University, 71 p.

- Volkwein A, Schellenberg K, Labiouse V, et al (2011) Rockfall characterisation and structural protection - a review. Nat Hazards Earth Syst Sci 11:2617-2651.
# Conception et caractérisations d'un isolant innovant à base de coproduits d'usinage et de champignon : le myco-composite

FIGEL Laura¹, AYADI Melek¹, AGUILAR Kyle¹, SAKER Safwan², ROSE Christophe³,
PERRIN Christelle¹, ANTOINE Marie-Laure¹, LALLEMAND Julien¹, REMOND Romain¹,
MOUGEL Eric¹, LE COZ Gaël⁴, HASSAN Alaa⁵, BOUDAOUD Hakim⁵, VAHABI Henri⁶,
FRECHARD Victor⁷, MEYER Julien⁷, BESANCON Franck⁷, BROSSE Nicolas¹,
BESSERER Arnaud¹

¹LERMAB, Université de Lorraine, USC INRAE 1445, Epinal

²CRITT Bois, Epinal

³INRAe, Centre Grand-Est, Champenoux

³LEM3, Université de Lorraine, UMR CNRS 7239, Metz

⁴ERPI, Université de Lorraine, Nancy

⁵LMOPS, Université de Lorraine, CentraleSupélec, Saint-Avold

⁶MAP-Crai, Université de Lorraine, UMR CNRS 3495, Nancy
laurafigel@univ-lorraine.fr

**Mots clefs** : Myco-composite ; coproduits d'usinage ; hêtre ; *Trametes versicolor* ; isolant

## Introduction

Dans un contexte où la durabilité et l'innovation sont essentielles, notre recherche se concentre sur le développement d'un isolant novateur : le myco-composite. Ce matériau est conçu à partir de biomasse et de champignons, offrant ainsi une solution écologique et performante pour l'isolation (Alaneme et al 2023). Actuellement, les polymères synthétiques tels que le polyuréthane et le polystyrène ont été largement utilisés comme matériaux d'isolation thermique en raison de leur faible conductivité thermique et de leur capacité thermique massique élevée. Cependant, ces matériaux présentent des inconvénients majeurs en termes de durabilité environnementale. Leur recyclage est coûteux en énergie, leur non-biodégradabilité pose des problèmes de gestion en fin de vie, et leur production ainsi que leur élimination sont associées à des risques environnementaux significatifs (Alemu et al 2022). Ces enjeux persistent et soulignent la nécessité de développer des alternatives plus écologiques et durables dans le domaine de l'isolation thermique. La conception de notre nouvel isolant, le myco-composite, repose sur une approche intégrée qui vise à valoriser les ressources lignocellulosiques tout en exploitant les propriétés uniques des champignons : le mycélium agit alors comme une colle naturelle pour le bois.

Notre étude a porté sur deux types de myco-composites : i) des myco-composites à base de hêtre massif sous forme de particules et ii) des myco-composites à base de coproduits d'usinage de hêtre. *Trametes versicolor*, un champignon présent localement, a été choisi pour cette étude. Des caractérisations de l'échelle macroscopique à microscopique ont permis d'évaluer les performances thermiques et mécaniques de ces myco-composites et de les comparer.

Notre étude vise à contribuer à l'avancement des connaissances sur les matériaux biosourcés et ouvre la voie à des applications innovantes dans le domaine de l'isolation. En alliant écologie et efficacité, le myco-composite représente une réponse prometteuse aux défis contemporains liés à la construction durable et à la gestion des ressources.
# Matériels et méthodes

## Matériels biologiques

Le hêtre commun (*Fagus sylvatica*) a été récolté dans le massif des Vosges (France). Le bois a été préalablement débité en éléments de petite taille avant d'être broyé en particules à l'aide d'un broyeur, équipé de tamis de 8 mm (Cross beater mill SK100, Retsch, Allemagne). Les coproduits d'usinage ont été obtenus à l'aide d'une fraise hélicoïdale de 25 mm de diamètre sur du hêtre massif.

## Préparation du milieu et culture fongique

Tous les milieux ont été stérilisés à 121°C pendant 20 minutes avant inoculation (autoclave Vapour Line 135-M, VWR, Allemagne). Pour obtenir un tapis fongique, une culture initiale de *T. versicolor* CTB 863 A a été cultivée sur milieu malt-agar contenant 20 g.L⁻¹ d'extrait de malt pendant 7 jours. Cinq plugs (diamètre 8 mm) provenant des boîtes de Petri de *T. versicolor* ont été inoculés dans des erlenmeyers bafflés de 250 mL contenant 50 mL de milieu malt (20 g.L⁻¹). Les erlenmeyers inoculés ont été placés dans un incubateur agitateur (Innova 44, New Brunswick Scientific, Allemagne) pendant 2 jours à 28°C et 100 rpm. Après 2 jours, la culture a été utilisée pour inoculer un bioréacteur stérile de 7 L rempli de milieu malt à 20 g.L⁻¹ pour un volume final de 5 L (Global Process Concept, PRO-LAB, France). Les conditions de culture ont été maintenues à 28°C, 80% O₂, 250 rpm et pH 5. Des sondes ont été utilisées pour surveiller les paramètres de croissance (pH, température, potentiel redox, oxygène et densité optique des pellets). La culture a été récupérée après 72h de croissance. Le mélange de milieu et de champignon a été séparé par centrifugation à 4200 rpm pendant 10 min à température ambiante (Multifuge X4R Pro, Thermo Scientific, USA). Le champignon a été utilisé pour produire la nurserie myco-composite.

## Production du myco-composite

Le substrat était constitué soit de particules de hêtre natives, soit de coproduits d'usinage de hêtre. Les deux types de particules ont été stérilisés avec de l'eau à 121°C pendant 20 min, atteignant une humidité à saturation des fibres de 60% pour le bois natif et 70% pour les coproduits. Un rapport poids/volume de 1: 2 de champignon a été mélangé au substrat dans une boîte avec filtre (Greiner bio-one, France) pour créer une culture appelée nurserie. Celle-ci a été incubée à 28°C et 60% d'humidité relative pendant 14 jours. Les myco-composites ont ensuite été produits en mélangeant ¼ de nurserie avec ¾ de biomasse préalablement préparée et stérilisée aux mêmes taux d'humidité que précédemment. Ces myco-composites ont été laissés en incubation pendant 1 mois à 28°C et 65% d'humidité relative, puis démoulés et séchés dans une étuve à 65°C pendant une nuit. L'ensemble du processus de production est illustré dans la Fig. 1.

<figure><img src="image_271.png" /><figcaption>Fig. 1 : Schéma de production de myco-composites.</figcaption></figure>

## Caractérisations
## Caractérisations morphologiques macroscopiques

Tous les échantillons ont été analysés par des inspections visuels. La masse volumique a été déterminée à partir de la masse après séchage et du volume de l'échantillon. Les mesures de masse ont été effectuées à l'aide d'une balance de précision, tandis que le volume a été déterminé par des mesures dimensionnelles. Chaque mesure a été répétée 10 fois pour assurer la reproductibilité des résultats.

## Caractérisations morphologiques microscopiques

Le microscope électronique à balayage (MEB) Jeol IT200 a été utilisé pour analyser les échantillons à l'échelle microscopique. Les échantillons ont été métallisés avec un alliage or/palladium d'une épaisseur de 4,8 Å à l'aide d'un métalliseur ACE600 (LEICA, Allemagne). Les observations ont été réalisées en mode haut vide avec un détecteur d'électrons secondaires (SE). La distance de travail était de 10 mm. La tension d'accélération et le courant de sonde ont été fixés respectivement à 10 kV et 60 %.

## Caractérisations thermiques

La conductivité thermique des échantillons de myco-composite a été évaluée avec un appareil à fluxmètre, conformément à la norme NF EN 12667. Les échantillons ont été préparés sous forme de panneaux carrés de 150 mm de côté, avec une épaisseur de 30 mm. Avant les mesures, les échantillons ont été séchés pendant 72 heures à 70 °C jusqu'à masse constante puis conservés dans un dessiccateur jusqu'à l'analyse. La surface des échantillons a été moulée directement dans une forme appropriée. L'appareil à fluxmètre est un dispositif qui mesure la densité du flux thermique à travers une éprouvette par une différence de température générée par cette densité de flux thermique traversant l'éprouvette et le fluxmètre lui-même. L'échantillon étant placé dans l'enceinte, un gradient de température est établi entre les plaques chaude et froide maintenues respectivement à 20°C et 0°C, établissant ainsi un flux thermique de densité unidirectionnelle, constante et uniforme. Un moule en polyuréthane de dimensions 300 mm x 300 mm a été utilisé pour positionner précisément l'échantillon de 150 mm x 150 mm (Fig. 2). Avant chaque mesure, le système de refroidissement a été activé et stabilisé. La durée typique d'une mesure était comprise entre 1,5 et 2 heures, permettant d'atteindre l'équilibre thermique et d'obtenir des valeurs de conductivité thermique fiables.

<figure><img src="image_272.png" /><figcaption>Fig. 2 : Montage utilisé pour les caractérisations thermiques</figcaption></figure>

## Caractérisations mécaniques

Les échantillons de myco-composites ont été découpés en éprouvettes rectangulaires de dimensions 10 cm x 5 cm à l'aide d'une micro-scie à ruban Proxxon MBS 240/E. Les propriétés mécaniques des échantillons ont été évaluées par des essais de compression uniaxiale non confinée, à l'aide d'une machine d'essai universelle Zwick Roell Z050.

## Résultats et discussion

Les échantillons de myco-composites ont été soumis à une inspection visuelle approfondie (Fig. 3). L'observation a révélé une colonisation non uniforme du mycélium, tant pour les substrats