L'ingénieur, 1 mai 1981, Mai - Juin

SwraEL* : V-' v.mmmm jfegaj ISSN-0020-1138 MAI/JUIN 1981 No 343 67e année V*> :w.4f f?®:» C.P $079, Succ.A, Montréal, Québac H3C 3A7 r V Wj *< w;*>: k< *, SJlte «os Nos blocs à la carte.Les blocs de béton, vous permettent maintenant de laisser solide, économique et d’une beauté durable Et les dIocs libre cours à votre imagination créatrice.Les blocs architec- architecturaux se prêtent tout autant à des constructions de turaux MIRON sont en effet disponibles dans des cou- type industriel qu’à des applications commerciales ou leurs, des textures et des reliefs d’une variété presque résidentielles Si l’esthétique compte autant pour infinie.Vous pouvez même créer des motifs origi- f J vous Que l’économie, renseignez-vous, sur les naux et les faire exécuter sur demande.Dans une VlwlIIW/W Ë avantages des blocs architecturaux MIRON avant seule opération, vous mettez en place une structure d’entreprendre tout projet de construction.MIRON INC 2201 boulevard Crômazle est.Montréal (Québec) H1Z 2C1 Téléphone: 376-2020 télex 05-827618 ADMINISTRA I ION I R REDACTION a/» f eule Poivtechnique Cave pu^ule 607Y Succursale « A • Montreal Québec.H H JA7 Tél (514)344-4^64 COMITÉ ADMINISTRATIF Jean-C laude THERRIfcN.mg président Andre BAZERGUI, mg.Cictald BÉLANGER, ing.Andre BROSSARD, mg.Paul HÉBERT, mg Jean L.LEDUC, ing.Gerald N.MARTIN, mg.Yvon PARENTE AU.ing SECRÉTAIRE ADMINISTRA TIVE Yolande G1NGRAS COMITÉ CONSULTATIF DF RÉDACTION Gérald BÉLANGER, ing directeur Denis ANGERS, ing Bernard BÉLAND.ing Michel BILODEAU, ing Réal BOUCHER, ing Médéric DESROCHERS, ing Yvon M DUBOIS, ing Marcel FRENETTE.ing Claude GUERNIER ing Norman McNEIL.ing Marc TRUDEAU, ing.Charles VILLEMAIRE.ing RÉDACTEUR Charles ALLAIN PUBLICITÉ JEAN SÉGUIN & ASSOCIÉS INC Courtiers en publicité 601.Côte Vertu.St-Laurent.Québec H4L 1X8 Téléphone (514) 748-6561 ÉDITEURS Association dec Diplômés de Polytechnique En collaboration avec l'École Polytechnique de Montréal, la Fa culté des Sciences et de Génie de l’Université Laval et la Faculté des Sciences appliquées de l’Université de Sherbrooke Publi cation bimestrielle Imprimeur Les Presses Elite ABONNEMENTS Canada 10$ par année Etranger 15 SC AN par année A l’unité 2 $ DROITS D’AUTEURS: les auteurs des articles publies dans L’INGÉNIEUR conservent l'entiere responsabilité des theories ou des opinions émises par eux Reproduction permise, avec mention de source : on voudra bien cependant faire tenir a la Rédaction un exemplaire de la publication dans laquelle parai tront ces articles Engineering Index Biol Chem.Su .Abstracts.Periodex et Radar signalent les articles publiés dans L’INGÉNIEUR ISSN 0020-1138 Dépôt légal Bibliothèque nationale du Québec.Tirage certifie : membre de la C anadian Circulation Audit Bureau ccab L ’ I N G É N I E U R MAI-JUIN 1981 8MAI/JLIN l*H Numéro 343 67e année INGENIEUR LE BOIS, MATÉRIAU NATUREL AU SERVICE DE L’INGÉNIEUR M.Jean l'ohquin.ing.f.professeur titulaire a la f ai llite Je foresterie et Je CieoJésie Je l'I mversité huai.est le eitorJonnateur Je ee nume ru.4 AVANT-PROPOS Jean Poliquin.ing.f.7 ANATOMIE ET STRUCTURE DU BOIS Jean Poliquin.ing.f.La structure anatomique du bois est considérée tant sous l'aspect macroscopique que microscopique.On décrit les divers éléments cellulaires qui constituent le xylème des bois de résineux et de feuillus tout en attirant une attention particulière sur les caractères qui influencent les caractéristiques physicomécaniques ainsi que le comportement du bois au séchage 15 PROPRIÉTÉS PHYSICO-MÉCANIQUES DU BOIS Michel Beaudoin, ing.t.L’objectif général de cet article est de définir et d'expliquer les principales propriétés physico-mécaniques du bois de façon à familiariser le lecteur avec ce matériau La densité, la teneur en humidité, la rétractibilité ainsi que les principales caractéristiques thermiques et électriques font l’objet de la première partie Dans un deuxième temps, les propriétés mécaniques les plus importantes sont analysées en fonction des principaux facteurs qui les influencent 27 LE SÉCHAGE DU BOIS Yves Fortin, ing.f.Le séchage du bois est une opération qui consiste à réduire la teneur en eau du bois à un niveau correspondant à la teneur en humidité d’équilibre propre à son utilisation Ce traitement confère au bois une meilleure stabilité dimensionnelle à l’usage, et améliore de plus la plupart de ses propriétés telles que sa résistance mécanique, sa résistance aux pourritures, et ses aptitudes générales à la transformation La structure particulière du réseau capillaire du bois de même que les phénomènes d’hygros-copicité et de rétractibilité font du séchage un processus complexe Néanmoins, la technologie moderne permet de sécher le bois dans des conditions suffisamment bien contrôlées pour assurer la production économique et efficace d’un produit de haute qualité.RI BRIQl FS ABSTRACTS 36 CHRONIQUE : L’INGÉNIEUR ET.39 OFFRES D'EMPLOI 43 ÉVÉNEMENTS À VENIR 44 RÉPERTOIRE DES ANNONCEURS PAGE COI VER TURK Photo: Gracieuseté de la Compagnie Internationale de Papier du Canada.1 Voici une autre innovation d’Algoma dans le domaine de l’acier: La plaque d’acier normalisée sortant directement du laminoir Depuis de nombreuses années, Algoma est l'un des principaux fournisseurs de plaque d'acier au Canada.Avec la construction de la nouvelle installation de traitement thermique dans le complexe du laminoir à plaque de 166", Algoma devient le fournisseur le plus complet.Les aciéristes d'Algoma ont un contrôle informatisé total du produit final normalisé.parce qu'ils ont le contrôle de toutes les grandes étapes de l'élaboration de l'acier, du laminage et de la transformation.Et du contrôle total des procédés résulte un contrôle total de la qualité.Le procédé de normalisation La plaque d'acier jusqu'à 3 900 mm (153") de large est chauffée dans le nouveau four à sole en continu, y est maintenue pendant une période prédéterminée, puis sort sur un convoyeur à rouleaux vers un refroidissoir où elle est refroidie à l'air.Tout le procédé est informatisé.Algoma peut produire des plaques d'acier normalisées satisfaisant à la plupart des normes courantes et des spécifications des entreprises, y compris les normes de l'ACNOR, les normes ASTM, ASME, BS, DIN et LLOYD'S.Dimensions offertes Largeur Épaisseur Longueur Max.3900 mm (153") Max.100 mm (4") Max.24400 mm (960") Min.800 mm (32") Min.5 mm (3/16") Surface de section transversale maximale: 186000 mm2 (288 po2) Veuillez vous renseigner si vous avez besoin de plaques de dimensions et de spécifications différentes.La qualité Algoma: contrôlée étape après étape.Algoma a à cœur de produire des nuances d'acier à haute résistance et rendement élevé.À chaque étape, de la matière première à l'élaboration du fer, de l'élaboration de l'acier au laminage de la plaque.et maintenant à la normalisation, toutes les opérations sont effectuées selon les méthodes rigoureuses de contrôle de la qualité d'Algoma, en n'oubliant jamais l'utilisation à laquelle vous destinez la plaque.Parce que l'acier, c'est notre affaire.Écrivez ou téléphonez au bureau de vente d'Algoma le plus près pour obtenir un exemplaire de la nouvelle brochure très intéressante intitulée: "Fabrication de plaques par traitement thermique et données de conception".ALGOMA STEEL Aciers Algoma limitée Sault Ste.Marie, Ontario Bureaux de vente de district: Moncton, Montréal, Toronto.Hamilton, Windsor, Winnipeg, Calgary, Vancouver. « On ne saura utiliser le bois avec discernement qu'à condition de le comprendre.» Frank Lloyd W right AVANT-PROPOS Le progrès de l'humanité depuis les époques les plus primitives jusqu’à la technologie hautement développée de l'époque actuelle a été étroitement influencée par sa dépendance à l’égard du matériau-bois.La relative facilité de son façonnage et sa disponibilité quasi universelle ont fait du bois un matériau essentiel à la survie de l’humanité Le bois a été utilisé pour l’érection d’abris, comme combustible, dans la confection d’outils et d’armes depuis des temps immémoriaux Au fur et à mesure du développement de !a technologie de l’homme, les emplois du bois se sont multipliés ; c’est ainsi qu’il a été utilisé dans la construction de bateaux, de véhicules, de ponts ainsi qu’à titre de combustibles pour le smelting des minerais et le travail des métaux.Puisque l’homme a utilisé le bois depuis des temps immémoriaux, il va de soi que ses usages et emplois sont très souvent appuyés sur des conceptions empiriques accumulées aux cours des âges.Toutefois, cette approche non scientifique a conduit, d’une part, à une confiance exagérée dans les possibilités du bois et, d’autre part, à une exagération de ses faiblesses Paradoxalement, la cause première de cet état de fait réside précisément dans la souplesse d’emploi du bois et de sa disponibilité universelle D’un côté, la transformation du bois et un grand nombre de ses emplois sont si simples qu’ils sont accessibles à des technologies les plus simples pour les peuples de cultures très différentes.D'un autre côté, le bois est un matériau d’une complexité plus grande que tout autre matériau disponible à l’ingénieur et son utilisation dans le cadre d’une situation technologique hautement compétitive fait appel à une compréhension scientifique et technique qui n’est pas le fait de la plupart de ses consommateurs.Prenant ces remarques en considération, les auteurs du présent numéro ont choisi comme thèse qui constituera en quelque sorte la trame commune aux trois articles, les relations entre l’eau et le bois et leur incidence sur l’emploi industriel des bois massifs.C’est ainsi que dans un premier temps, on expliquera, de façon évidemment sommaire, la structure du bois, sa variété, sa complexité et sa variabilité, tout en soulignant les aspects de structure qui interviennent dans les relations eau-bois.Au deuxième article, on donnera un aperçu des propriétés physico-mécaniques du bois, tout au moins les plus importantes en mettant l’emphase sur celles liées à l’eau comme le gonflement-retrait, l’abaissement des propriétés mécaniques, etc.Il découle des considérations des deux premiers articles V olume marchand par essence forestière au Canada (1.000.000 mètres cubes) RÉSINEUX Économiquement accessible Économiquement inaccessible Pin blanc 192 Pin rouge + ponderosa 43 Pin gris + lodgepole 2477 288 Mélèze 48 3 Épinette 5183 942 Pruche 1876 31 Douglas 531 118 Sapin 2952 5 Thuya plicata + occi- 1068 dentalis Cèdre 173 Autres résineux 4 Total 14.547 1.679* FEUILLUS Peuplier 1366 82 Tremble 663 124 Peuplier trichocarpa 32 14 Bouleau jaune 340 Bouleau blanc 1028 61 Hêtre 68 Érable 514 Frêne 24 Autres feuillus 122 6 Total 4,157 287 * Le total (1679 millions m3) n'est pas égal à la somme des volumes par essence (1387 millions m3) car pour la province de Terre-Neuve, 218 millions m3 n'ont pas été répartis par essence pour les résineux inaccessibles (Rousseau-Lafond, D., C.R.F.L.Ste-Foy) 4 MAI-JUIN 1981 L'INGÉNIEUR que l'emploi sage et prudent du bois à l'échelle industrielle entraîne inéluctablement la nécessité d’amener le bois à des teneurs en humidité contrôlées et convenables à l'emploi projeté Toutefois, avant de passer au cœur du sujet, il apparaît nécessaire de situer le bois dans le cadre de ses origines À prime abord, on peut considérer comme une lapalissade le fait de dire que le bois vient des arbres Toutefois, une réflexion plus soutenue nous enseigne que c’est là précisément que se trouve la cause première de la diversité, la complexité et la variabilité du bois.En effet, le bois, étant partie intégrante de l’arbre vivant, est donc d’origine biologique ; par voie de conséquence, sa formation est soumise aux lois de la vie et reflète la grande diversité de la nature en général.Il convient de voir les critères qui font qu’un bois donné est marchand Dans différentes parties du monde, la richesse de la flore arborescente varie entre des limites très larges pour atteindre un sommet dans les bassins de l’Amazone et dans la péninsule de Malaisie.Un estimé conservateur situe le nombre d’espèces de plantes arborescentes en Amazonie aux environs de 5 000 et on a reconnu un bon 2 500 espèces arborescentes dans la région malaise.Plus près de nous, la publication intitulée « Arbres indigènes du Canada » (Hosie 1969) décrit 117 espèces arborescentes dont 31 appartiennent aux arbres conifères (Bois de résineux) et 86 aux arbres feuillus (Bois de feuillus) ; à peine plus d’une vingtaine fournissent des bois marchands.Cette divergence est due à divers facteurs.Par exemple, plusieurs espèces n’atteignent pas une taille marchande en terme de grumes de sciage ; toutefois, ils peuvent tout de même conserver une importance commerciale reconnue pour d’autres usages que le sciage.La qualité du bois est évidemment de toute première importance ; certains arbres peuvent atteindre une taille suffisante mais ne sont pas considérés marchands parce que leur bois n’a pas suffisamment de valeur dans une conjoncture économique donnée.Sur un plan plus strictement forestier, il ne fait aucun doute que l’accessibilité constitue un facteur de toute première importance.Au Canada, certains peuplements ne sont pas considérés comme marchands tout simplement parce qu’ils ne sont pas accessibles (montagnes) ou trop éloignés des points de transformation.Dans ce cas, il ne s’agit pas forcément des espèces elles-mêmes En forêt tropicale, cependant, c’est souvent le cas, surtout si on considère qu'une espèce peut être distribuée de façon très éparse, donc un facteur de concentration peut entrer en considération.Finalement, l’état de développement de la technologie de transformation peut faire qu’à un moment donné une espèce devienne marchande parce que, désormais, il est devenu possible de la transformer en un produit utile et vendable Finalement, pour compléter ce préambule, il convient de donner quelques remarques à propos des forêts canadiennes et québécoises et des grands groupes de produits forestiers qu’on en tire Le capital forestier canadien en croissance, évalué à environ 19 milliards de mètre cubes, représente environ 7% de toutes les forêts du monde Sur une superficie boisée de 922 millions d’hectares plus de 37% sont couverts de forêts.Sur le plan mondial, le Canada occupe le 3e rang après l’U R.S.S.et le Brésil en ce qui a trait aux réserves forestières et il est reconnu comme le 3e plus grand exportateur de produits forestiers au monde.Les forêts canadiennes regroupent 140 essences indigènes arborescentes et arbustives (Hosie 1969).Les 31 conifères indigènes dominent puisqu’ils constituent environ 80% du volume total du bois marchand L encadré présente, pour les principales essences, la contribution relative de chacune d’elles (%) au volume total.Les produits forestiers manufacturés à partir des forêts canadiennes jouent un rôle important dans le développement de ce pays et cela depuis l’arrivée des premiers colons.Ayant d’abord servi à la construction des cabanes et maisons des premiers arrivants, ils ont permis l’exportation du chêne et du pin pour la construction des navires britanniques pour, finalement, devenir le secteur de pointe que constitue aujourd'hui l’industrie des produits forestiers En 1977, la valeur des expéditions de l’industrie du papier et produits connexes ainsi que les industries de la transformation du bois se situent respectivement au 3e et au & rang des industries manufacturières canadiennes La même année, la récolte et la transformation du bois d’œuvre ont généré environ 284 000 emplois créant ainsi une masse salariale de 4 48 milliards de dollars.Le total de la valeur ajoutée par toutes les industries forestières a été de 8.23 milliards de dollars et la valeur des expéditions atteignaient 18 milliards de dollars, soit 17% de celle de toutes les industries manufacturières.(BOIS DU CANADA, sous presse).L’industrie forestière du Canada représente l’activité économique la plus importante au regard de la valeur en dollars des produits finals et les gains en devises étrangères Bien qu’en toute probabilité, le total des exportations augmentera, la position relative de cette industrie régressera légèrement en raison de l’augmentation de l’exportation de produits de grande valeur.L’industrie des produits de la forêt n’en demeure pas moins celle qui importe le plus de devises étrangères Voilà, quelques considérations qui auront su, nous l’espérons, situer le bois dans la perspective juste d’un matériau poreux, hygroscopique d’origine biologique et dont l’utilisation industrielle, très importante chez nous, repose sur une connaissance scientifique poussée.Vf Jean Poliquin est professeur titulaire à la Faculté de Foresterie et de Géodésie de l'Université Laval depuis 1977.Diplômé de l'Université de Montréal en 1952, il obtint son B.Sc.A.à l'Université Laval en 1960, puis une maîtrise en sciences forestières en 1962 à cette même institution , il compléta par la suite des études avancées (D.Sc.Techn.) à l'École Polytechnique Fédérale de Zurich en 1966.Ses activités de recherche sont principalement axées sur la microtechnologie et la structure du bois ainsi que de ses produits dérivés.M.Poliquin fût professeur d'enseignement forestier au Zaïre pendant deux ans (1974-75) et a participé depuis 1967 à plusieurs congrès internationaux .membre de maintes associations scientifiques et de l'Ordre des Ingénieurs forestiers du Québec, il est aussi l'auteur de nombreuses publications.L’INGÉNIEUR MAI-JUIN 1981 5 ABSTRACTS WOOD ANATOMY & STRUCTURE by Jean Poliquin, F.E.THE DRYING OF WOOD by Yves Fortin, F.E.The wood anatomy is considered both anacroscupically and microscopically.The xylary cellular elements of both soft and hardwoods are described highlighting particularly the caracteristics influencing the physico-meca-nical behaviour of wood, thus setting the bach-ground for drying.PHYSICAL & MECHANICAL PROPERTIES OF WOOD by Michel Beaudoin, F.E.The drying of wood is a process that consists of reducing the moisture content of wood close to the equilibrium moisture content it will attain in service.This treatment results in a better dimensional stability, and also improves many other properties such as strength, resistance to decay and amenability to processing.The particular structure of wood capillary system as well as the hygroscopicity and shrinkage-swelling phenomena make wood drying a complex process.Nevertheless, modern technology enables wood drying to be done in such controlled conditions as to ensure the economical and efficient production of a high quality product.The main objective of this paper is to review the psysical and mechanical properties of wood.The specific gravity, moisture content, retractibility as well as the thermal and electrical characteristics of wood are first defined and explained.Then, the mechanical properties and their main affecting factors are discussed.M.Maurice Mardi directeur régional de l’Association Canadienne du Ciment Portland est heureux de vous présenter notre spécialiste en transport M.L.Carol Duchesne ingénieur civil.M.Duchesne possède une vaste expérience dans le domaine du génie civil et plus particulièrement dans la mécanique des sols et le béton.L’Association Canadienne du Ciment Portland a pour objectif d’améliorer et de promouvoir l’utilisation du ciment Portland par : l’éducation, le service technique, la recherche et les travaux appropriés d’ingénierie.Contrôles industriels disponibles en inventaire » EAGLE SIGNAL Minuteries Compteurs.Programmeurs.Contrôles industriels MERCOID Contrôles de pression, de Temperature et de Niveau WALLACE & TIERNAN Produits pour contrôle de debits LUCIFER Electrovalves REX Interrupteurs horaire pour conservation de lénergie ENDRESS DURAKOOL ¦>: II HAUSER Contacteurs au tv Contrôles de mercure très niveau pour résistants WïwiiE Liquides.Solides et Poudres 2 * WARRICK Contrôles de niveau et de pompes Téléphonez ou écrivez pour de plus amples informations.EQUIPEMENTS DE Contrôle Dovis LIMITÉE 165 RUE 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est convenu d’appeler caractéristiques macroscopiques du bois toute caractéristique visible à l’œil nu ou à l’aide d’une loupe permettant un grossissement de 10 à 15 fois.L’apparence macroscopique du bois diffère en fonction du plan selon lequel le bois est coupé et examiné ; ce plan est toujours défini par rapport à l’axe de l’arbre (fig.1).Caractéristiques de la coupe transversale La coupe transversale d’un tronc d’arbre est normalement circulaire.On peut y distinguer trois parties : la moelle, le bois et l’écorce.Entre le bois et l’écorce on peut distinguer à l’aide d’un microscope un autre tissu.Ce tissu est appelé cambium : il s’agit d’une assise méristématique qui engendre le bois et l’écorce interne ou ploème (fig.1).Le bois se caractérise par la présence plus ou moins évidente de couches concentriques appelés « cernes annuels ».Cette structure est le résultat immédiat du mécanisme de croissance de l’arbre qui se réalise par la production alternée de couches de structure bien différente.Dans les régions à climat tempéré, il s'ajoute généralement une telle couche de bois à chaque saison de croissance.L’appellation « cerne annuel » comporte un certain danger puisqu’il est possible dans certains cas anormaux qu’il se produise plus d’un cerne au cours de la même année ou encore que plusieurs cernes n’apparaissent pas sur toute la circonférence du tronc ; on parle alors de faux cernes, de cernes manquants ou de cernes incomplets.Chez la plupart des espèces les cernes annuels peuvent être facilement distingués les uns des autres à cause des différences de structure entre le bois initial et le bois final (fig.1).Le bois initial est formé durant la première partie de la saison de croissance.Ces tissus sont différents par leur densité, leur couleur et d’autres caractéristiques structurales qui sont effectivement le reflet de leur structure cellulaire (microscopique).Chez les bois de résineux, le bois initial et le bois final diffèrent en densité et en couleur ; le bois final est plus foncé et possède une densité plus grande que celle du bois initial.Chez les bois de feuillus, la présence de pores est une caractéristique fondamentale de structure qui est très commode pour la séparation de deux types de bois.Ces pores sont visibles comme des petites ouvertures arrondies à l’intérieur d’un cerne annuel.Ces pores peuvent être parfois visibles à l’œil nu et ils sont de toute façon toujours visibles à l’aide d'une loupe (fig.2).En se basant sur le mode de distribution des pores à l’intérieur d’un cerne annuel, on peut classer les bois de feuillus selon deux grands groupes : 1 ° les « bois à zone poreuse » tels que le chêne et le châtaignier chez lesquels les pores du bois initial sont très évidemment plus gros que ceux du bois final et disposés en forme d’anneaux ; 2° les « bois à pores diffus » tels que l’érable et le peuplier, chez lesquels les pores sont dispersés uniformément dans l’ensemble du cerne.En général, on peut dire que les cernes annuels sont plus facilement visibles chez les bois à zone poreuse que chez les bois à pore* diffus.11 existe également un troisième type de bois qu’on est convenu d’appeler bois à pores semi-diffus chez lesquels on peut observer une transition graduelle du diamètre des pores depuis les gros pores du bois initial jusqu’aux petits pores du bois final.Ce genre de bois est toutefois assez rare ; un exemple bien connu est le noyer noir.Le nombre de cernes annuels comptés sur une coupe transversale prélevée à proximité du sol peut être utilisé dans le but de déterminer l’âge de l’arbre.Il faut toutefois réajuster le nombre observé afin de compenser pour le temps que la plantule aura pris pour atteindre la hauteur à laquelle on aura prélevé le disque ; ceci dépend évidemment de la vitesse de croissance en longueur de l’espèce considérée et évidemment de l’arbre lui-même.Cette détermination ne sera juste que si l’on tient compte de la présence du faux cernes ou de cernes incomplets.Les cernes annuels peuvent être étroits ou larges.On observe des différences à l’intérieur d’un arbre, entre les arbres M.Jean Poliquin est le coordinateur du présent numéro.L’INGÉNIEU R /MAI-JUIN 1981 7 et entre les espèces.Certaines espèces sont à croissance rapide (facteur génétique) tandis que d'autres croissent beaucoup plus lentement lorsqu'elles sont soumises aux mêmes conditions de milieu.Chez les vieux arbres, les cernes les plus extérieurs ont -tendance à devenir plus étroits.De façon très générale, on peut dire que la largeur et le mode de variations d'un cerne à l'autre est en grande partie influencée par les conditions de croissance ; un facteur extrêmement important est l'espace disponible tant au-dessus du sol qu'en dessous du sol.Chez plusieurs espèces, la coupe transversale d'un tronc ne présente pas une couleur uniforme mais, au contraire, on peut y distinguer une partie intérieure plus foncée que celle à la périphérie du tronc (fig.2.3) ; ces parties centrales sont appelées « duramen » tandis que la couronne extérieure est appelée « aubier ».On peut observer un duramen chez les pins, le douglas, le séquoia, la pruche.le cyprès, le chêne, le noyer, le châtaignier, l'orme et plusieurs autres espèces.Il faut toutefois mentionner qu'il existe plusieurs espèces qui ne présentent jamais normalement de parties colorées au centre du tronc ; chez plusieurs de celles-ci.il est quand même possible d'observer des différences de teneur en humidité.spécialement tout de suite après l'abattage de l'arbre, qui permettent de déceler une partie centrale différente : on l'appelle « bois parfait ».Une autre caractéristique macroscopique importante chez certains bois de résineux est la présence de canaux résinifè-res.On peut les observer de façon normale chez les bois de pin.mélèze, épinette et douglas.De façon générale, ils sont plus nombreux et relativement plus gros chez les espèces de pins Les canaux résinifères apparaissent à l’œil nu ou à la loupe comme de petits points foncés ou blanchâtres.Chez les bois de feuillus, il est possible d'observer des structures analogues qu'on est convenu d'appeler « canaux à gomme » : toutefois on peut dire qu’ils se trouvent très rarement chez les espèces des zones tempérées.Finalement, disons que tous les bois contiennent des rayons qui.en coupe transversale, apparaissent comme des lignes s'étendant grosso modo depuis la moelle jusqu'à l'écorce (fig.3).Chez quelques bois de feuillus tels que le chêne.le hêtre et le platane, les rayons sont larges et très évidents.Chez d'autres (chez tous les bois de résineux), ils sont plus ou moins petits et difficiles à distinguer, parfois même à l'aide d'une loupe.Un examen minutieux nous apprend que tous les rayons ne commencent pas à la moelle.Ils peuvent commencer à l'intérieur de n'importe quel cerne annuel ; mais une fois qu'ils ont été formés ils continuent en général jusqu'à l'écorce dans laquelle ils pénètrent.L'écorce entoure le cylindre central ligneux.L'apparence macroscopique de ce tissu varie en fonction de l'espèce et de l'arbre.Chez des arbres très vieux tels que le sequoia et le douglas, l'écorce peut atteindre et même dépasser un pied d'épaisseur.Les cernes annuels à l'intérieur de l'écorce ne peuvent pas être décelés macroscopiquement comme c’est le cas pour les cernes annuels du bois.Toutefois, il est possible de déceler chez les vieux arbres deux parties ou deux couches différentes : l'écorce interne de couleur relativement pâte et l'écorce externe foncée, sèche et ayant l'apparence du liège.Finalement, notons que l'apparence extérieure de l'écorce externe telle qu'on peut l'observer sur les arbres sur pied ou sur les grumes est habituellement caractéristique de l'espèce et.de par ce fait, peut servir de caractère diagnostique pour le dendrologue, avec toutefois quelques réserves.Caractéristiques des surfaces radiale et tangentielle Les coupes radiale et tangentielle engendrent des surfaces qui sont différentes l'un de l'autre et toutes deux différentes de la coupe transversale (fig.1).La surface radiale est en- Figure 1 — Illustration shématique d’une bille coupée selon les trois plans principaux du bois.C.Tr.: coupe tranversale ; C.R.: coupe radiale ; C.T.: coupe tangentielle b.i.: bois initial ; b.f.: bois final ; c.a.: cerne annuel ; é.: écorce ; m.: moelle ; n.: nœud.(D'après Jane 1956) arbre durammisè arbre avec ou sans bois parfait résineux ou feuillu cernes apparents cernes peu apparents résineux feuillus a pores diffus feuillus a zone poreuse Figure 2 — Divers types de plans ligneux (coupe transversale).(D'après Wagenfiihr 1966) gendrée par le sectionnement du tronc en passant par la moelle.8 MAI-JUIN 1981 L'INGÉNIEUR duramen aubier cerne annuel rayons ligneux liber Figure 3 — Autres aspects macroscopiques du bois.(D'après Wagenführ 1966) Les canaux résinifères (et les canaux à gomme lorsqu'ils sont présents) et les pores les plus gros des bois feuillus apparaissent comme de fines lignes longitudinales de différentes couleurs.Les rayons s’étendent transversalement.Chez les bois possédant des rayons larges, ces derniers apparaissent comme des taches assez grosses et facilement visibles ; chez le chêne, ces rayons engendrent des marbrures qui le rendent si facilement reconnaissable : on parle ici de la maillure.Lorsqu'on coupe du bois tangentiellement aux cernes annuels, il apparaît une image tout à fait distinctive.La surface tangentielle a une apparence ondulée plus ou moins prononcée en fonction du contraste qui peut exister entre le bois initial et le bois final (fig.1).La moelle n'y apparaît pas mais toutes les autres caractéristiques macroscopiques peuvent y apparaître en fonction de la position relative du plan de coupe par rapport à la moelle.Les rayons coupés transversalement apparaissent allongés dans le sens longitudinal et possèdent une forme de fuseau de longueur et largeur variables ; en conséquence, ils peuvent être visibles à l'œil nu ou être difficilement visibles même à l’aide d’une loupe (fig.3).Les caractéristiques macroscopiques du bois tel que décrites précédemment supposent une croissance normale de l’arbre.La présence de diverses anomalies peuvent grandement modifier l'apparence du bois particulièrement sur le plan radial et tangentiel.Aspects microscopiques du bois Formes et apparence des cellules ligneuses Le bois ou plus précisément le « xylème » est composé d'une multitude d'unités très petites.Il n’a été possible de les observer qu'à la suite de l'invention du microscope.On a calculé qu'un pied cube de bois d’épinette contient environ de dix à quatorze milliards de cellules.Ces cellules de nature diverse sont réunies les unes aux autres de multiples façons caractéristiques des espèces ou groupes d'espèces.À l'aide de moyens chimiques il est possible de dissoudre la substance qui réunit ces cellules les unes aux autres.Ce procédé chimique de séparation des cellules est appelé « macération ».L’examen microscopique d'un bois macéré nous révèle les caractéristiques suivantes de la morphologie des cellules de bois : les cellules des espèces résineuses diffèrent des cellules des espèces feuillues.Les bois de résineux sont principalement composés de cellules tubulaires longues, étroites et possédant des extrémités fermées, effilées ou obtues.Ces cellules appelées « trachéides ».possèdent des membranes ligneuses épaisses ou minces et sont garnies d’ornements appelés « ponctuations » et qui seront décrites plus bas avec détail en raison de l'influence qu'elles ont sur l'écoulement des fluides dans le bois.Dans la masse des trachéides.on peut observer des cellules rectangulaires en forme de briques appelées cellules de « parenchyme ».Ces dernières possèdent également des ponctuations.Chez certaines espèces de bois de résineux, on peut observer des cellules peu nombreuses appelés « trachéides de rayons » ; à faible grossissement, elles peuvent apparaître semblables aux cellules de parenchyme axial mais elle ont une forme irrégulière et possèdent des ponctuations analogues à celles des grandes trachéides.Les cellules des bois de feuillus sont beaucoup plus variables en dimension et en forme.La majeure partie de celles-ci sont toutefois longues, étroites et possèdent des extrémités effilées et fermées ; elles présentent une forme généralement analogue à celles des bois de résineux tout en étant beaucoup plus petites.Ces cellules appelées « fibres » peuvent posséder des membranes minces ou épaisses selon les espèces de bois.On peut également observer dans les macérations des cellules de parenchyme.On y observe également un nombre relativement petit de cellules ouvertes aux deux extrémités.Ces cellules sont appelées « éléments de vaisseau » et sont généralement plus courtes que les fibres ; elles sont également très variables tant qu'aux dimensions et à la forme.Quelques-unes sont longues et étroites ; d'autres sont courtes et larges et même certaines peuvent être plus larges que longues.Quelques espèces de feuillus possèdent des trachéides ; toutefois, du point de vue morphologique, ces dernières sont différentes des trachéides de bois de résineux comme il nous sera possible de le voir plus tard.Toutes les cellules sont garnies de ponctuations ; toutefois, il est à noter que ces dernières sont les plus fréquentes, les plus abondantes sur les éléments de vaisseau et les trachéides.Tissus ligneux proprement dits On vient de décrire brièvement l’aspect des cellules isolées.Dans les paragraphes qui suivent nous étudierons brièvement de quelle façon ces cellules sont groupées pour former le solide « bois ».L’observation au microscope du tissu ligneux montre que les coupes microscopiques sont différentes selon qu'elles sont prélevées dans le plan transversal, radial ou tangentiel.(fig.4,5).Il est possible d’observer la forme tubulaire des cellules dans chacun de ces plans.À l’exception des cellules de parenchyme et des trachéides de rayons orientées dans une direction parallèle à celle qui chemine depuis la moelle vers l'écorce, toutes les autres cellules sont disposées selon l'axe longitudinal de l’arbre qui est parallèle ainsi à la direction de la moelle.De ce fait, il ressort que l'on peut observer plus facilement le diamètre des cellules axiales.l'épaisseur de leur membrane et la dimension et la forme de leur lumière sur des coupes transversales.Les cellules ligneuses à maturité sont mortes, c’est-à-dire qu'elles sont dépourvues de protoplasme et de noyaux et ceci même dans l’arbre vivant.Il s’en suit que la lumière de ces cellules est dépourvue de contenu solide.Le protoplasme et les noyaux sont présents seulement au cours des premiers stades de la vie très courte d'une cellule ligneuse et ils disparaissent au cours de la maturation de ces cellules On doit toutefois noter quelques exceptions qui sont celles des jeunes cellules en cours de croissance situées dans le cambium entre le bois et l'écorce et on doit également mentionner les cellules de parenchyme situées dans l'aubier.Pour les fins du présent chapitre, on peut dire que la cellule ligneuse à maturité est composée de deux couches, c’est-à-dire d’une couche extérieure mince appelée paroi primaire L'INGÉNIE U R /MAI-JUIN 1981 9 et d'une couche intérieure plus épaisse appelée paroi secondaire.Les substances qui cimentent ces cellules ensemble à la façon du mortier dans un mur de briques forment une couche intercellulaire appelée « lamelle moyenne véritable ».Il est impossible sur les préparations microscopiques ordinaires de distinguer la lamelle moyenne véritable de la paroi primaire.Ainsi, ces deux couches apparaissent comme ne formant qu'une entité, d'où le vocable « lamelle moyenne composée ».Structure des ponctuations aréolées Nous avons vu précédemment que les membranes des cellules ligneuses sont garnies de ponctuations qui sont à proprement parler des moyens de communications entre deux cellules adjacentes.Un examen attentif de ces ponctuations nous révèle qu’elles sont effectivement des interruptions dans la continuité de la paroi secondaire (fig.6).Les ponctuations constituent un passage privilégié pour les liquides.Leur forme et leur constitution sont très variables selon les espèces et les types de cellules.Le lecteur verra dans les deux autres articles de ce numéro l'importance du rôle des ponctuations dans l'écoulement des fluides dans le bois.Description des différents types de cellules Dans les paragraphes qui suivent nous décrirons les différents types de cellules qui composent le bois, soit les trachéi-des, les éléments de vaisseau, les fibres et les cellules de parenchyme.1 ) Les trachéides Les trachéides forment environ 90% et plus du volume des bois de résineux.Ce sont des cellules longues, étroites dont la longueur est de 75 à 200 fois (en moyenne 100 fois) plus grande que leur diamètre.Chez les bois de résineux, les lon- gueurs moyennes des trachéides à maturité varie entre 3 et 5 mm.Le diamètre varie en moyenne entre 20 et 40 pim La forme des trachéides est différente dans le bois initial et dans le bois final (fig.4,5).Les trachéides du bois initial sont relativement minces, ont une section transversale polygonale ou carrée et possèdent des lumières grandes.D'une part, les trachéides de bois final possèdent des membranes épaisses, des lumières étroites et ont tendance à avoir une forme rectangulaire allongée en direction tangen-tielle Le passage des trachéides à parois minces de bois initial aux trachéides à parois épaisses du bois final peut être abrupt ou graduel.2) Les fibres Techniquement parlant, les fibres ne se retrouvent que chez les bois des feuillus.Il est bon de remarquer ici que dans son acceptation industrielle le mot fibre comprend à la fois les fibres proprement dites et les trachéides.Toutefois, on doit garder à l'esprit que les fibres n'ont pas tout à fait les mêmes caractéristiques que les trachéides et que, si l'on veut parler avec correction, il est bon de raire la différence entre les deux.Les fibres sont effectivement des cellules longues, étroites, qui.de façon générale, offrent une assez grande ressemblance avec les trachéides du bois final des résineux.Leur longueur varie en fonction des espèces entre 1 et 2 mm.Leur diamètre varie entre 10 pim et 50 pim.Les fibres ont des extrémités fermées, effilées.Leurs parois peuvent être minces ou épaisses et leur lumière étroite ou large.Ces caractéristiques varient principalement en fonction des espèces mais il faut remarquer que des fibres formées vers la fin de la saison de végétation possèdent en général des parois épaisses et sont aplaties tangentiellement.Ces dernières caractéristiques sont parfois très commodes pour déterminer la limite des cernes annuels chez les espèces à pores diffus dont les cernes annuels sont très peu contrastés (fig.5).Figure 4 - Photomicrographies des trois plans ligneux du pin blanc.» m ill I < • .Wifi! ;j: ji® SfÜüsS.!?‘ :*!§?•&• ÎÀî-lîIPi illfiülwiii ItÜ?::SiiüiiiiÜüit! i«ÉiiÉ $5' i: !'«E :: mimm A : coupe tranversale B : coupe radiale C : coupe tangentielle.Figure 5 - Photomicrographies de trois plans ligneux du charme de Caroline (Carpinus caroliniana WALT).MAI-JUIN 1981 /L ’ I N G É N I E U R it JrWvtvvT.-e il ill tiii/J l 10 iQme e moyenne pr,ma 't seconoa -e torui O'f torui i etterne » in terne membrane teure ouverture Figure 6 — Représentation schématique d'une paire de ponctuation aréolée.Les fibres peuvent être classées selon deux types : les fibres-trachéides et les fibres simpliciponctuées.Cette distinction est faite en fonction de la nature des ponctuations.Les fibres-trachéides possèdent des ponctuations aréolées et les fibres simpliciponctuées.comme le nom l'indique, sont ornées de ponctuations simples.La principale fonction des fibres est de procurer un support mécanique à l'arbre.Elles ont donc un rôle de soutien, bien qu'elles puissent à l’occasion participer à la conduction de l’eau dans l’arbre.L'importance relative des fibres chez les différents bois de feuillus est très variable.Chez plusieurs espèces, elles constituent 50% et plus du volume total du bois.3) Les éléments de vaisseau Les éléments de vaisseau ne se retrouvent que chez les bois de feuillus.Dans ces bois, un nombre indéterminé de telles cellules sont réunies bout à bout pour former une structure en forme de tuyau de longueur variable appelé « vaisseau ».Les parois terminales des éléments de vaisseau sont en totalité ou partiellement hvdrolvsées au cours de la formation de ces cellules.Ainsi, la surface déterminée par les deux éléments de vaisseau placés bout à bout est appelée « cloison perforée ».La forme que peuvent prendre ces cloisons perforées et leur structure sont caractérisées et classifiées ; elles constituent un outil commode lors de l'identification des bois.Les vaisseaux qui ne servent plus à la conduction de la sève, ceci se produisant principalement lorsque l'aubier est transformé en bois parfait, peuvent être occlus par des thyl-les.Les thylles sont une excroissance d’une cellule de parenchyme à travers une paire de ponctuations jusque dans la lumière d’un élément de vaisseau.Ces thylles seraient selon toute apparence les résultats d’un gradient de pression osmotique qui existerait entre les éléments de vaisseau et les cellules de parenchyme.Au cours du séchage des bois, les thylles peuvent jouer un rôle très important si l'on considère que ces derniers peuvent éventuellement boucher complètement les éléments de vaisseau et, de par ce fait, retarder ou inhiber complètement l’écoulement longitudinal des liquides ou des vapeurs.4) Autres éléments Les éléments décrits précédemment constituent la majeure partie du xylème.Qu'il suffise ici de mentionner que, selon les espèces, l'expert distingue en fonction de la forme et des fonctions un certain nombre d'autres éléments du xylème.Composition chimique du bois et ultrastructure On n'observe aucune différence importante entre les bois en ce qui a trait à leur composition chimique élémentaire.Les principaux éléments chimiques du bois sont : le carbone, l'hydrogène et l'oxygène.On y décèle également des petites quantités d’azote.L’analyse chimique d'un certain nombre d'espèces comprenant des résineux et des feuillus démontre que la proportion des différents éléments exprimés en pourcent du poids anhydre du bois s'établit comme suit : carbone environ 49 à 50% ; hydrogène environ 6% : oxygène environ 44 à 45% : l'azote 0.1% à \%.En plus des éléments ci-haut mentionnés, de petites quantités d'éléments minéraux s'observent dans les cendres du bois : il s'agit principalement du calcium, potassium et magnésium.Habituellement la teneur en cendres est inférieure à 0.2% du poids anhydre du bois ; il s'agit ici des essences des zones tempérées.Certaines essences tropicales montrent des teneurs en cendres beaucoup plus élevées principalement en raison de quantités inhabituelles de silice.Les principaux constituants organiques du bois sont la cellulose.les hémicelluloses et la lignine ; on observe également des petites quantités de pectines.La plupart des constituants organiques du bois ne sont pas des entités chimiques comme telles mais des groupes ou des familles de composés, ce qui les rend assez difficiles à identifier.Les mots cellulose, hémicellulose, etc., sont des termes d'acception générale et ils comprennent un nombre assez important de composés chimiquement rapprochés.Composition chimique du bois Les proportions de cellulose, hémicellulose, lignine déterminées par des méthodes standards de préparation, s'établissent approximativement comme suit (en pourcent de la masse anhydre du bois) : cellulose, 40 à 50% (approximativement la même chez les bois résineux et de feuillus) ; la lignine, 20 à 35% chez les bois de résineux et de 17 à 25% chez les feuillus : les hémicelluloses.20% chez les résineux et 15 à 35% chez les bois feuillus.La teneur en pectines est très faible (tableau I).La cellulose est un polymère composé de molécules de glucose, monosaccharide formés par photosynthèse à partir du bioxide de carbone atmosphérique (C02).Les molécules y sont reliées entre elles de façon à former de longues chaînes, dont l'unité de base est la cellubiose (fig.9).Les liens qui unissent deux molécules de glucose s'effectuent en éliminant une molécule d'eau et chaque molécule de glucose ajoutée à la chaîne est tournée 180°.La Formule empirique de la cellulose est la suivante : (C6HiO0.-i) n ; « n » est le degré de polymérisation ou le nombre de monomères de glucose par chaîne de cellulose.Ce nombre dans la cellulose naturelle se situe en moyenne entre 8,000 et 10.000.Les hémicelluloses sont chimiquement apparentés à la cellulose en ce sens que toutes deux contiennent des hydrates de carbone.La séparation de la cellulose et des hémicelluloses est faite en fonction de leur solubilité individuelle dans les bases ; la cellulose n’est pas soluble dans une solution à 17.5% de soude (NaOH) tandis que les hémicelluloses le sont.Les hémicelluloses sont également des polymères en chaîne comme la cellulose mais à un degré beaucoup moindre ; la chaîne groupe environ 150 monomères.Au contraire de la cellulose, qui est exclusivement composée de glucose, les hémicelluloses contiennent une grande variété de monosaccharides.Chez les bois de résineux, ces monomères sont en majeure partie du mannose et quelques molécules de xylose ; d'autre part, chez les bois de feuillus, elles sont composées en grande partie de xylose et un peu de mannose.Les substances pectiques sont également des hydrates de carbone ou des composés qui leur sont apparentés.On les L'INGÉNIE U R MAI-JUIN 1981 11 TABLEAU I COMPOSITION CHIMIQUE DE QUELQUES BOIS DU QUÉBEC Fractions des hémicelluloses Nom Cellulose Lignine Arablno méthyl glucurono xylane Acetyl méthyl II II Acetyl glacto gluco mamane gluco mamane Arabino-ga lactone xyloglucalre pectine, etc.Cendres Sapin baumier 42.2 30.0 7.0 16 8 3 7 0.3 Mélèze larlcln 42.2 27.0 8 6 19 2 2.7 0.3 Pin blanc 41.0 29.0 10.0 15.8 3.8 04 Douglas taxifollé 42.8 26.4 9.1 180 33 0 4 Thuya de l’Est 42 7 33.3 6.5 11.5 5.6 0 4 Pruche du Canada 39.6 33.7 4.7 16 6 5.0 0 4 Érable à sucre 40.2 23.1 28.3 4.6 3.5 0.3 Bouleau jaune 43.5 23.8 24 8 2.7 4.9 0.6 Hêtre à grandes feuilles 39.5 23.5 29.0 2.7 4.7 0.6 Peuplier faux-tremble 42.6 20 0 28.1 5.3 2.7 0 4 (D'après PA N SH IN et de ZEEUW, 1980) retrouve principalement dans la zone cambiale située entre les bois et l'écorce.Toutefois, on peut à l’occasion les déceler dans la lamelle moyenne et la paroi primaire rappelant ainsi leur origine cambiale.La lignine est le composant de la membrane cellulaire ligneuse qui différencie le bois de tous les autres matériaux cellulosiques produit par la nature.La lignification constitue le dernier stade du développement de la membrane cellulaire ligneuse.La lignification complète coïncide dans le temps avec la dégénérescence du protoplasme et ainsi avec la mort de la cellule.La lignine n'est pas un hydrate de carbone ; on peut dire que, de façon générale, elle est de nature aromatique.En dépit de longues et laborieuses recherches depuis maintenant près de 100 ans, il n'est pas encore possible de donner une définition chimique qui soit complète ; de plus, l'isolation même de la lignine pose encore des problèmes très sérieux.La composition chimique de la lignine diffère chez les bois de feuillus et de résineux et également varie fortement en fonction des différentes espèces de bois feuillus.De plus, le bois peut contenir diverses inclusions appelées dans leur ensemble « substances extractibles ».Ces extractibles sont principalement des composés organiques de nature très diverse, tels gommes, graisses, cires, résines, sucres, huiles, amidons, alcaloïdes et tanins.La teneur en extractibles varie depuis de moins de 1% (peuplier) jusqu’à plus de 10% (mélèze) sur la base de la masse anhydre du bois.Toutefois, ils sont très variables non seulement entre les espèces mais tout autant sinon plus à l'intérieur de l'arbre lui-même, principalement entre l'aubier et le duramen.Ultrastructure de la membrane ligneuse Comme nous venons de le voir, la cellulose est le constituant principal du bois.Les paragraphes suivants tenteront de montrer de quelle façon cette cellulose est physiquement constituée.Ce polymère est constitué de segments de diverses longueurs comportant des séries répétitives de « cellobiose » (figure 7).Les dimensions de cette unité ^ont en longueur de 10.3 A et en section transversale de 8.3 A sur 7.9 A.Si l'on reconnaît que le degré de polymérisation est de 10,000, on en déduit donc que la longueur movenne de la chaîne est de 50.000 Â.8,35 A Figure 7 - Représentation schématique de la cellubiose.(B) —J 1*— 30 a 40 A région amorphe cns tallite 600A IOO A Figure 8 — Schéma d'une microfibrille : A - vue latérale ; B — vue en coupe transversale.(D'après Siau 1971) 12 MAI-JUIN 1981 L’INGÉNIEUR Figure 9 — Représentation schématique de la structure de la membrane ligneuse d'une trachéide typique de conifère.( D'après Côié 196 7) Les molécules d'eau peuvent être adsorbées sur les groupes hydroxyles libres par des ponts hydrogènes tendant ainsi à éloigner les chaînes les unes des autres.Puisque l’adsorb-tion se produit sur les côtés de la chaîne, elle n’a aucune influence sur la longueur des chaînes.Dans un deuxième ordre de grandeur, ces chaînes sont regroupées pour former la « fibrille élémentaire », dont le diamètre est d’environ 35 Â et contenant approximativement 40 chaînes parallèles de cellulose.Des faisceaux de fibrilles élémentaires forment des « microfibrilles » auxquelles on reconnaît un diamètre de 10 à 300° Â.Des études aux rayons-X ont permis de montrer que ces microfibrilles ne sont pas homogènes mais qu’au contraire on y reconnaît des zones cristallines et des zones amorphes (fig.8).Dans un troisième ordre de grandeur, les microfibrilles sont regroupées en lamelles qui constituent les couches et les parois de la membrane ligneuse.La figure 9 montre la structure de la membrane d’une trachéide typique.La lamelle moyenne est située entre les trachéides et est composée principalement de lignine et d'un peu de matières pectiques.On estime son épaisseur dans le bois final à 1/Lim.s’élargissant jusqu’à 3/im dans les coins.La couche cellulosique la plus extérieure est la paroi primaire.Les micro-fibrilles de cette paroi sont orientées de façon assez aléatoire.Son épaisseur est estimée à environ 0.1 /im à l’état saturé d'eau, et contient environ de 5 à 10% de cellulose.La paroi secondaire est composée de 3 couches conventionnellement appelées Si, S2 et S3.La couche la plus externe (Si) montre des microfibrilles orientées approximativement à angle droit avec l’axe de la trachéide.Son épaisseur dans le bois final est estimé à 1/um.La couche médiane (S2) est la plus épaisse et contient environ 50 pourcent de cellulose.Son épaisseur varie de 1 pim à 10/dm selon que la trachéide est dans le bois initial ou dans le bois final.Cette couche contient une portion très importante de la cellulose totale du bois , on comprendra dès lors l'importance du rôle qu'elle joue dans le gonflement et le retrait du bois.En effet, si on considère que l’angle moyen des microfibrilles est d'environ 20° par rapport à l’axe de la trachéide.on voit que le gonflement ou l’éloignement des microfibrilles les unes des autres engendrera un changement de dimensions principalement dans le sens transversal (radial et tangentiel).Le gonflement longitudinal serait, d'une part, causé par le gonflement des couches Si et S3 et, d'autre part, par la composante longitudinale de l'angle de 20°.La couche S3, dont l'épaisseur est d’environ 1/jm.voit ses microfibrilles orientées normalement à l'axe comme celles de la S|.Cette organisation prévient le gonflement excessif des fibres.Finalement, chez certaines espèces on observe une couche W (verrue = wart en anglais) qui, en fait, forme un revêtement constitué, pense-t-on.des restes cytoplasmiques de la cellule vivante qu'a été la fibre.Cette couche W joue un rôle important en raison de l’influence qu'elle exerce sur la diffusion des liquides à travers la membrane ligneuse.Conclusion Ces considérations sur la structure intime de la paroi ligneuse complète donc le tour d'horizon qui nous aura amené à considérer, d'une part, l'organisation cellulaire du bois, et sa diversité et, d'autre part, les caractéristiques structurales principales qui jouent un rôle dans la sorbtion et la dé-sorbtion de la vapeur d’eau et l'écoulement des liquides, ainsi que leur influence sur le comportement physico-mécanique du bois |J, , RÉFÉRENCES ANONYME (sous presse).Les bois du Canada.Service canadien des forêts.ANONYME.1979.Im forêt au Québec Revue forestière française.XXI no spécial COTE.W A., jr.1967.Wood Ultrastructure.University of Washington Press.HOWARD.E.F., et F.G MANWILLER 1%9.Anatomical Characteristics of Southern Fine Stemwood.Wood Science 2(2): 77-86.JANE.F.W.1970.Structural of Wood.Adam & Charles Black 2nd ed.(rev.).PANSHIN, A J , et C.de ZEEUW.1980.Textbook of Wood Technology.McGraw-Hill Book Co.4,h ed.SI AU.JE.Flow in Wood.Ed.Syracuse University Press WAGENFÜHR.R 1966.Anatomie des Holzes.Fachbuchverlag.Leipzig.BOUTHILLETTE PARIZEAU & ASSOCIES INGENIEURS CONSEILS Mécanique Electric >te 98?5 rue VERVILLE Montreal H3l 3E 1 Telephone (514)387 3747 _______________________i L’INGÉNIEU R /MAI-JUIN 1981 13 Entrepreneurs, êtes-vous accrédités?Dans un contexte d’économie d’énergie, le marché de la nouvelle construction a subi des changements profonds, tant du point de voie de la conception que des méthodes.L’isolation thermique, par exemple, joue un rôle de premier plan dans la construction d’une maison chauffée à l’électricité et le futur acheteur doit y prêter une attention particulière.Voilà où la Ligue de l’Électricité du Québec intervient.Elle dirige les consommateurs vers des professionnels accrédités, c’est-à-dire compétents et consciencieux, qui appliquent les recommandations du Programme d’efficacité énergétique fi Constructeurs, électriciens, spécialistes de l’isolation, et membres des différents corps de métiers oeuvrant dans le domaine du bâtiment, demandez au plus tôt votre accréditation auprès de la Ligue de l’Électricité du Québec.Il n’en coûte rien pour être accrédité; il suffit d’être membre et de s’engager à suivre les recommandations contenues dans le Programme d’efficacité énergétique fi', après avoir reçu la formation pertinente.Soyez de ceux qui profiteront des avantages que procure la Ligue de l’Électricité du Québec aux entrepreneurs accrédités.m MÉim wè A Entrepreneur accrédité Ligue de l'Électricité du Québec Ecrivez aujourd'hui pour obtenir plus amples renseignements et une formule de demande d'accréditation.Postez ce coupon Veuillez me faire parvenir la formule de demande d'accréditation dûment rempli à: —— -——- Nom de l’entreprise Programme d'accréditation Ligue de l’Électricité du Québec Boîte postale 36 Place d’Armes Montréal (Québec) H2Y 3E9 Spécialité Nom Adresse Code postal Téléphone 14 MAI-JUIN 1981 L’INGÉNIEUR PROPRIÉTÉS PHYSICO- MÉCANIQUES DU BOIS Michel Beaudoin, ing.f.* Résumé L’objectif général de cet article est de définir et d'expliquer les principales propriétés physico-mécaniques du bois de façon à familiariser le lecteur avec ce matériau.La densité, la teneur en humidité, la rétractibilité ainsi que les principales caractéristiques thermiques et électriques font l’objet de la première partie.Dans un deuxième temps, les propriétés mécaniques les plus importantes sont analysées en fonction des principaux facteurs qui les influencent.Introduction Trois caractéristiques fondamentales distinguent le bois des autres matériaux industriels couramment utilisés.La première est sa haute variabilité ; en effet, même si certains traits communs caractérisent les espèces, il n'existe pas deux pièces de bois parfaitement identiques.Deuxièmement, le bois est une substance hygroscopique ; ayant la capacité d'ajuster sa teneur en humidité aux conditions hygrométriques ambiantes, ses dimensions, sa densité et son comportement sous contraintes en sont substantiellement affectés.En troisième lieu, le bois est hétérogène ou anisotrope, i.e.ses propriétés diffèrent suivant l’orientation considérée.Évidemment ces caractéristiques n'ont jamais empêché le bois d'être universellement utilisé, mais dans les conditions compétitives de la technologie moderne, il devient de plus en plus important de bien connaître ce matériau et son comportement.C'est pourquoi l’objectif général de cet exposé est de définir et d’expliquer sommairement les principales propriétés physico-mécaniques du bois de façon à familiariser le lecteur avec ce produit et ses utilisations possibles.La teneur en humidité, la densité, la rétractibilité, de même que les caractéristiques thermiques et électriques sont d’abord présentées et brièvement commentées.Ensuite les différentes propriétés mécaniques sont analysées en fonction des principaux facteurs qui les influencent.M.Michel Beaudoin est ingénieur forestier, diplômé de l'Université Laval en 1974.Deux ans plus tard, il complète une maîtrise en utilisation du bois à la même institution.En 1980, il obtient un Ph D.en technologie du bois à North Carolina State University à Raleigh.N.C.(mineure : génie industriel).Il est présentement attaché de recherche à l'Université Laval.Teneur en humidité La teneur en humidité d’une pièce de bois est définie comme étant la quantité d'eau (vapeur ou liquide) contenue dans celle-ci, à un moment bien précis.Cette quantité est généralement exprimée en pourcentage de la masse anhvdre de la pièce ou de l’échantillon.Teneur en humidité (%) Masse de l'eau -x loo masse anhvdre du bois En laboratoire, la façon standard d’évaluer la teneur en humidité d'un échantillon de bois est de le peser à l'état humide, de le faire sécher dans une étuve à 103+2°C jusqu’à constance de poids et de le peser à nouveau dans cet état anhydre.La différence de masse avant et après séchage permet ainsi d’évaluer la teneur en humidité de la façon suivante : Mh Mo H (%) = — x 100 où H : teneur en humidité o Mh : masse à l'état humide M0 : masse à l'état anhydre Cette méthode, couramment utilisée, est relativement précise pour les essences ne contenant que très peu ou pas d'extractibles (tannins, résines, etc ).Pour les essences contenant des quantités appréciables d'extractibles, étant donné que ces derniers sont susceptibles de se volatiliser lors du séchage, cette méthode évalue, en plus de la teneur en humidité, la teneur en extractibles volatiles, faussant substantiellement les résultats.La méthode par distillation dans un solvant non miscible à l’eau a été instituée précisément en vue d'éliminer le biais causé par l’évaporation des tannins, résines, et autres.Théoriquement.cette technique est plus précise que la méthode standard, mais à cause de la difficulté de mesurer avec précision l’eau condensée, et de la complexité globale de l’opération, elle est peu utilisée et difficilement recommandable.Il existe bien sûr d'autres façons encore plus complexes d'estimer la teneur en humidité du bois, mais comme celles déjà mentionnées, leur principal inconvénient est un temps de réponse trop long.Au niveau industriel, il est souvent nécessaire de connaître la teneur en humidité sur le champ si l’on veut contrôler efficacement certaines opérations de transfor- L’INGÉNIEUR MAI-JUIN 1981 15 mation.tel le séchage du bois.C’est à ce niveau que les méthodes utilisant les propriétés électriques du bois prennent leur importance.Comme il sera mentionné ultérieurement, certaines caractéristiques électriques, telles la coastante diélectrique.la résistance électrique et le courant haute-fréquence, sont directement reliées, à l'intérieur de certaines limites, à la teneur en humidité du bois.C’est donc dire que si l'une de ces caractéristiques est connue pour un échantillon donné, il est possible d'estimer immédiatement sa teneur en humidité.Le principal inconvénient de ces méthodes est, cependant, la restriction concernant la gamme des teneurs en humidité mesurable.En effet, ces instruments ne sont, pour ainsi dire, valables qu'en bas de 30% (H), ce qui limite significativement leurs applications.Un dernier point à mentionner concernant la teneur en humidité du bois est le point de saturation des fibres (PSF).Comme l'explicite le terme, la teneur en humidité à laquelle les membranes cellulaires sont toutes saturées d'eau, mais où les cavités cellulaires sont vides, est définie comme étant le point de saturation des fibres.Généralement situé aux environs de 30% (H), ce niveau d'humidité est critique en ce qui a trait à l'influence de la teneur en humidité sur les autres propriétés physiques et mécaniques du bois.Retrait et gonflement Le retrait et gonflement du bois, connu sous le nom de ré-tractibilité.est la propriété que possède le bois de changer de dimensions et par conséquent de volume lorsque sa teneur en humidité varie.L’addition d’eau dans la membrane cellulaire a pour effet d'expandre cette dernière en proportion de la quantité de liquide ajoutée.Le phénomène se poursuit jusqu'au point de saturation des fibres au-delà duquel aucun changement volumétrique subséquent ne se produit.Inversement lors du séchage ou désorption, l’évacuation de l'eau des cavités cellulaires uniquement ne produit aucun retrait.Ce dernier débute seulement lorsque l'eau liée à l'intérieur des membranes commence à s’évaporer.Un tel retrait de la matière ligneuse est conventionnellement exprimé en pourcentage de la dimension maximale, c’est-à-dire à l'état vert avant aucun retrait.Changement à partir de l'état vert Retrait (%) = -:- x 100 Dimension à l’état vert Le gonflement, pour sa part, est habituellement exprimé en pourcentage de la dimension minimale, c'est-à-dire à l’état anhydre.Changement à partir de l’état anhydre Gonflement (%) = -X 100 Dimension à l’état anhydre Le retrait ne peut donc pas être la réciproque du gonflement ou vice-versa, étant donné qu'ils ne sont pas estimés à partir de la même base.De plus, le premier retrait, à partir de l’état vert original, engendre une réduction irréversible des dimensions de sorte que les variations subséquentes n'atteignent pas l'état dimensionnel initial.Ces variations ou changements de dimensions sont aussi fonction de l'orientation du bois, cf.figure 1.En effet, de la saturation à l'état anhydre, le retrait transversal total (radial plus tangentiel) varie entre 10 et 15% en fonction des essences.alors que le retrait longitudinal est presque nul.de 0.1 à 0.3% seulement.De plus, en ce qui a trait à l'orientation transversale, on constate que le bois, pour une même variation d’humidité, réagit deux fois plus en direction tangentiel-le qu'en direction radiale.Les tableaux I à III présentent.Figure 1 — Orientation de hase dans une pièce de bois R : radiale ; T : tangentielle ; L : longitudinale.pour les principaux bois du Québec, le gonflement volumétrique moyen ainsi que celui en direction radiale et tangen-tielle.Comme c'est souvent le cas.les données suivant l’axe longitudinal sont omises.L'anisotropie entre l’axe longitudinal et l'axe transversal est généralement expliquée par le fait que la majorité des cellules dans le bois sont orientées longitudinalement, rendant l’expansion transversale relativement facile et l'extension longitudinale pratiquement impossible.En ce qui a trait à l'anisotropie transversale, radiale versus tangentielle, les opinions sont beaucoup plus variées et discutables.Les théories les plus fréquemment mentionnées à ce sujet sont l’interaction entre le bois initial et le bois final, l'influence des rayons, et l’orientation des fibrilles à l’intérieur des cellules.Aucune de ces hypothèses ne semblent être l'unique cause de l’anisotropie mais plutôt une combinaison de ces dernières apparaît comme l'explication la plus probable.Un dernier aspect critique de la rétractibilité du bois est sa densité.En effet, les changements de dimensions sont non seulement fonction de la quantité d'eau absorbée ou désor-bée mais aussi de la quantité de matière ligneuse présente par unité de volume.De façon générale, plus la densité du matériel est élevée, plus les variations de dimensions sont accentuées pour un même changement d'humidité.Les tableaux I à III montrent bien cette tendance.Densité Par définition, la densité d’une substance homogène est déterminée par le rapport masse/unité de volume.Dans le cas d’un matériel hétérogène et hvgroscopique comme le bois, la densité est fonction non seulement de la dimension des cellules qui le composent ainsi que de l’épaisseur de leurs parois, mais aussi de la teneur en humidité du matériel.Cette dernière influence à la fois la masse et le volume.C’est donc dire que, pour obtenir des estimations de densité qui soient comparables et reproductibles, la teneur en humidité du matériel au moment des mesures devra être contrôlée et standardisée.Ainsi, selon les utilisateurs et utilisations, trois sortes de densité sont généralement retenues : Masse anhydre (M0) — Densité basale (D, ) = - h Volume saturé (Vs ) 16 MAI-JUIN 1981 L’INGENIEUR ~ ., j _ Masse anhydre (M0) — Densite anhydre (DQ)*-— Volume anhydre (V0) Masse anhvdre (M0) — Densité humide (D.)*- n Volume humide (V^) La densité basale est la plus couramment mentionnée et utilisée.Son principal avantage vient du fait que la masse anhydre et le volume à saturation sont des conditions constantes et facilement reproductibles pour un matériel comme le bois.La densité anhydre, pour sa part, est surtout utilisée dans des travaux de recherches ; l’état anhydre est plus facile à obtenir et à conserver en laboratoire.Finalement, la densité à une teneur en humidité (H) est employée surtout dans des travaux d’ingénierie.Elle est souvent évaluée à \2% (H), ce qui correspond à la teneur en humidité d’utilisation la plus courante.A noter que ces trois formules d'évaluation de la densité utilisent uniquement la masse anhydre au numérateur.En Europe, toutefois, la masse est parfois mesurée à la même teneur en humidité (H) que le volume.Les valeurs obtenues par ces trois équations sont souvent qualifiées de densités apparentes parce que le volume mesuré inclut non seulement la matière ligneuse contenue dans le bois mais aussi les cavités, l’eau, les extractibles, etc.Les estimations sont donc de beaucoup inférieures à la densité réelle de la matière ligneuse proprement dit, qui se situe aux environs de l,5g/cm3, indépendamment des essences.La densité apparente est aussi beaucoup plus irrégulière.Elle varie non seulement d’une espèce à l’autre mais aussi à l’intérieur d’un même arbre.La structure interne du bois, la position suivant l'axe vertical de l’arbre, la distance à partir du centre de la tige, ainsi que la proportion de bois initial et final sont les principaux facteurs qui affectent la densité d'une pièce de bois.C’est pourquoi l’estimation de la densité d’une essence donnée, pour être valable, doit être basée sur un grand nombre de mesures.Les tableaux 1 à III donnent les densités moyennes pour les principaux bois du Québec Un coefficient de variation d'environ 10^ est généralement associé à la variabilité de ces espèces.En ce qui a trait aux méthodes de mesure, la masse de l’échantillon est évidemment mesurée sur une balance dont la nature dépend de la précision désirée.Le volume, pour sa part, peut être évalué de différentes manières.La méthode la plus simple consiste à mesurer « manuellement » l’échantillon et calculer son volume.Ce procédé est applicable aux échantillons de forme régulière seulement.Pour ceux de forme irrégulière, les méthodes par immersion dans l’eau ou dans le mercure semblent plus appropriées, même si elles comportent certains inconvénients.Le principal inconvénient du procédé par immersion dans l’eau concerne les échantillons relativement secs ; lors de l'immersion, ceux-ci absorbent une certaine quantité d'eau, faussant d'autant l’estimation du volume.Quant au voluménomètre à mercure, son principal désavantage est qu'il est restreint à des échantillons de petites dimensions.Il existe aussi d'autres moyens d'évaluer directement la densité du bois, soit par radiation aux ravons-X.bêta ou gamma.Ces méthodes sont très rapides, relativement précises et surtout non destructives.Une connaissance exacte de la teneur en humidité au point de mesure est toutefois nécessaire.Propriétés thermiques Les propriétés thermiques du bois les plus courantes sont l’expansion, la capacité et la conductivité.L'expansion thermique, comme le mot le dit, est le changement dimensionnel du bois causé par une variation de température.Ce changement, exprimé par le coefficient d'expansion thermique.exhibe, comme la plupart des autres propriétés du bois, de l’anisotropie.En effet, ce coefficient en direction longitudinale.entre — 50 et + 50°C, est en moyenne de 3,39 x 10 * /°C et indépendant de la densité, alors qu'en direction TABLEAU ! Propriétés physico-mécaniques des principaux bois du Québec : Conifères * t' (Mniitt «ont »tm#m roui II» ion longrtudMioM comoiMion longitudinal» comprtwon trantvvruU lOCdhtM AS T M fiMitUm#nt lonffudinjl tlttltltt OoubU AS TM durtt» ianka le.Do • 13 • M D, , 9 | «ai ''a nu**f K Itropor b on ne Ile energy » alWUife de defnrvnatH n nm«8 bmiie 4«>4i ne Me de rupture •il propu» lionne Ue • fto rupture .«U* a n tiiiii» (O Oj) ( J~aH| 494*1.Il) (l.’ll (.’Cl ( «*.’* Cf'.i (*»4 H» (ICI (41 J| chêne à gros fruits 00 069 0.73 679 401 923 0.13 1 49 3.22 964 202 423 97.9 131.4 709 591 725 Quercus macrocarpa 0.60 5.7 44 15.9 29 té 15 JO J9 Ib JJ 24 n 13 7 15 14 13 — — — — h- — ( *.i 11 t iii'ii in'ii (11(1*1 1 1 .'Hl M (61 II ( IIH.| l Hit) ('*.’.:> (HH .5»