Literatura académica sobre el tema "Goujons en bois densifié"

Les structures multicouches en bois, assemblées par des goujons en bois densifié, constituent une solution durable et innovante pour le secteur de la construction. Le développement de modèles prédictifs par éléments finis nécessite une représentation volumique de la géométrie pour modéliser le comportement mécanique complexe de ces structures. Cependant, les modèles volumiques sont couteux, notamment dans le cadre des études de variabilité et d’optimisation. Dans cette thèse, des approches de types volumique, volume-coque et volume-poutre, sont développées pour obtenir des modèles précis et qui peuvent être qualifiés de juste nécessaires. L’étude du comportement mécanique des structures multicouches en bois révèle que les lamelles adoptent un comportement de coque tandis que les goujons se comportent comme des poutres. Des champs de déplacement d’ordre supérieur dans l’épaisseur des lamelles et dans la section des goujons sont identifiés. Pour respecter ces champs de déplacement tout en gardant une représentation volumique, deux méthodes ont été développées. Une première méthode exploite des éléments volumiques standards en appliquant des théories de coque à travers l’épaisseur des lamelles et des théories de poutre à travers les sections des goujons. Une seconde méthode exploite un élément hexaédrique à 32 nœuds et s’inspire des principes des éléments volume-coque et volume-poutre, avec un seul élément dans l’épaisseur des lamelles et un seul élément dans la section des goujons. Les résultats démontrent que les méthodes proposées dans cette thèse mènent à des outils de modélisation efficaces pour les structures multicouches en bois assemblées par des goujons en bois densifié. Ces méthodes ouvrent également de nouvelles pistes de développements futurs et des perspectives d’application à d’autres types de structures
Multilayered timber structures, assembled using densified wood dowels, represent a sustainable and innovative solution for the construction sector. The development of predictive finite element models requires a solid representation of the geometry for modelling the complex mechanical behaviour of these structures. However, solid models are costly, especially in the context of variability studies and optimization. In this thesis, solid, solid-shell, and solid-beam approaches are developed to obtain accurate models that can be considered as the best compromise. The study of the mechanical behaviour of multilayered timber structures reveals that the layers adopt a shell-like behaviour, while the dowels behave like beams. Higher-order displacement fields through the thickness of the layers and through the cross-section of the dowels are identified. To meet these displacement fields while maintaining a solid representation, two methods have been developed. A first method exploits standard solid elements by applying shell theories through the thickness of the layers and beam theories through the sections of the dowels. A second method uses a 32-node hexahedral element and is inspired by the principle of solid-shell and solid-beam elements, with a single element through the thickness of the layers and a single element through the section of the dowels. The results demonstrate that the methods proposed in this thesis lead to effective modelling tools for multilayered timber structures assembled with densified wood dowels. These methods offer perspectives for future developments and applications to other types of structures

Dans le cadre d’un projet européen, un nouvel assemblage par tourillons densifiés permettant de maintenir des lamelles en bois est en cours de validation au niveau structurel. Ce type d’assemblage possède l’avantage de ne pas utiliser de colles et de permettre de fabriquer des structures de grandes dimensions ne comportant que du bois. Le principe consiste à mettre en place les planches de bois comme souhaité, puis à percer et introduire des tourillons densifiés : sous l’effet de la reprise d’humidité, les tourillons densifiés gonflent et bloquent l’assemblage, rendant la structure rigide. L’utilisation de ce type d’assemblages nécessite une multitude de vérifications de dimensionnement et de comportement à des sollicitations diverses dont les variations thermomécaniques. Ainsi, dans le cadre de ce travail de thèse, l’objectif sera de caractériser le comportement des assemblages lamelles de bois par tourillons densifiées soumises à des contraintes thermo-hydriques importantes, notamment lors d’incendie. Pour ce faire, nous proposons une approche couplée par expérimentations et par modélisation numérique. Les expérimentations permettront dans un premier temps d’acquérir les données de base pour développer le modèle. La modélisation numérique permettra ensuite de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors de l’incendie de ces types de structures pour en améliorer les performances. Cela permettra en outre de réduire le nombre d’essais couteux. Le modèle sera validé par des mesures de températures à différentes profondeurs dans la section des lamelles, mais aussi au sein des tourillons densifiés. Ces résultats seront alors confrontés à des essais expérimentaux pour validation sur quelques essais au feu en sollicitations mécaniques. Ce modèle pourra alors être utilisé pour estimer le comportement de structures plus complexes soumises à un incendie et fournir des données de base pour le dimensionnement de bâtiments complets. Les résultats pourront également servir de base pour amender les textes réglementaires tels que l’Eurocode 5
As part of a European project, a new assembly using densified dowels to hold wooden slats is currently being validated at the structural level. This type of assembly has the advantage of not using glues and of making it possible to manufacture large-sized structures consisting only of wood. The principle consists of positioning the wooden planks as desired, then drilling and inserting densified dowels: under the effect of moisture absorption, the densified dowels swell and block the assembly, making the structure rigid.The use of this type of assembly requires a multitude of sizing and behavior checks under various stresses, including thermomechanical variations. Thus, within the framework of this thesis work, the objective will be to characterize the behavior of wood lamellar assemblies by densified dowels subjected to significant thermo-hydric stresses, in particular during the fire. To do this, we propose an approach coupled with experiments and numerical modeling. The experiments will first allow the acquisition of the basic data to develop the model. Numerical modeling will then make it possible to better understand the mechanisms involved in the fire of these types of structures in order to improve their performance. This will also reduce the number of expensive trials. The model will be validated by temperature measurements at different depths in the section of the lamellae, but also within the densified dowels. These results will then be compared to experimental tests for validation on a few fire tests under mechanical stress.This model can then be used to estimate the behavior of more complex structures subjected to fire and to provide basic data for the sizing of complete buildings. The results can also serve as a basis for amending regulatory texts such as Eurocode 5

Le renouveau du bois dans la construction de bâtiments et ouvrages d'art conduit à développer des procédés permettant la réalisation de planchers et de dalles. Les avantages reconnus des propriétés de matériaux amènent naturellement à utiliser le béton pour constituer la semelle supérieure du plancher, en disposant le bois d'une façon identique aux éléments en acier des structures mixtes. Le transfert du procédé ne peut être effectué directement vers le composite bois-béton, compte tenu de la particularité de liaison entre le bois et le connecteur; la liaison connecteur-béton pouvant être considérée acquis si ces connecteurs sont métalliques. L'objet de cette recherche concerne l'étude du comportement de deux types de connecteurs à travers des essais de résistances. Il s'agit d'une proposition de connecteur du type goujon dont la base est une plaque dentée et d'un projet de connecteur tubulaire HILTI. Un dispositif spécial d'essais de cisaillement et d'arrachement a permis de réaliser des essais de plusieurs systèmes de fixation (clous, plaques dentées et vis) et de situer les résultats vis à vis de ceux proposés dans l'Eurocode 5. Après avoir retenu ces systèmes de liaison entre le bois et les connecteurs, les essais normalisés de poussés conçus selon Eurocode 4 ont été réalisés sur les deux types de connecteurs. Sur le plan théorique, deux modèles analytiques ont été développés pour prédire le comportement aux états de service et ultime de la liaison. Un modèle élastique basé sur une formulation exacte de la rigidité d'une poutre sur fondation élastique a été présenté. Pour l'analyse ultime, un modèle rupture modifié basé sur celui de Johansen a été proposé en considérant tous les modes de rupture possibles de l'ensemble connecteur-bois. Les essais ont confirmé ces modèles et fonctionnement global de connexion
Recent advances in modern construction have led to the systematic use of combined concrete slab and timber beams as a horizontal load bearing structural component, the latter playing an identical role as steel beams in a composite concrete steel floor. Unfortunately the well-established rules governing the design of shear connectors for structural composite concrete-steel floors cannot be applied directly to wood-concrete composite structural elements due to the nature of the bond that exists between wood and connecting elements. Thus the thesis was aimed at investigating the mechanical behavior of two types of shear connector using static tests. They consisted of a dowel-type connector with a metal base plate and a tubular connector. Using a shear test rig preliminary lateral and axial resistance of different nails, screws with and without disc springs as well as punched metal plates were investigated. These were compared with Eurocode 4 recommendations and the observations led to the design and testing of standardized pushout specimens for both connector types according to the provisions of Eurocode 4. Two predictive techniques were developed to account for the serviceability limit state as well as the ultimate resistance of the connectors. For the former, an elastic model was used to predict the load-deformation characteristics of the dowel through an exact stiffness formulation of a beam on elastic foundation. While the ultimate resistance was based on a modified Johansen yield model. Comparisons between the theoretical and experimental results were found to be in good agreement

La densification du bois par injection de polymère ou par compression thermomécanique et traitements thermiques présente de plus en plus d’intérêt dans le domaine du bois. Ces traitements améliorent les propriétés du bois pour des applications spécifiques. Parmi ces procédés, la compression thermomécanique du bois a été développée depuis quelques années. Cependant, l’effet « mémoire de forme » du bois après absorption d’eau était un problème car il rendait le produit instable dimensionnellement. Le procédé de densification Thermo-Hygro-Mécanique (THM) du bois, un procédé combinant l'effet de la chaleur, de la vapeur et de la pression, permet d'augmenter la masse volumique du bois et favorise l’obtention d’un matériel stable dimensionnellement en limitant le retour viscoélastique ou springback. Ainsi, les objectifs du projet étaient de développer les paramètres du procédé THM nécessaires pour produire des placages à haute densité de peuplier faux tremble, peuplier hybride et érable à sucre et de caractériser leurs propriétés physiques et mécaniques. La densification de placages de 700×700× 4 mm a été réalisée à 140, 160, 180, 200 et 220°C dans une presse à injection de vapeur. Nous savons que la masse volumique anhydre est un bon indicateur des propriétés mécaniques. Après traitement THM, la masse volumique anhydre moyenne obtenue pour le peuplier faux- tremble passe de 388 à 812 kg.m-3, pour l’érable à sucre de 675 à 828 kg.m-3 et pour le peuplier hybride, de 348 à 708 kg.m-3. Les résultats montrent une amélioration de la stabilité dimensionnelle en fonction de la température utilisée lors du cycle de densification. Pour les propriétés mécaniques (flexion, traction, dureté Brinell), il y a une amélioration linéaire entre 140°C et 180°C. Entre 180 et 200°C les valeurs sont stables et presque le double de celles du bois non densifié. Elles diminuent ensuite jusqu’à 220°C. La colorimétrie révèle de façon objective et quantitative le changement de teinte du bois qui devient plus sombre de façon quasi linéaire plus la température augmente. En termes de rugosité, il y a une diminution des paramètres Ra et Rz avec la densification, qui se rapprochent de la valeur des plaques métalliques de la presse utilisée mais on note une augmentation à 220°C.

L'utilisation des goujons collés dans les structures bois répond au souci de conservation du bâti et de discrétion de l'intervention. A ce jour, plusieurs procédés de caractérisation et de dimensionnement sont disponibles, sans pour autant donner un socle commun à l'évaluation de la résistance des assemblages collés. L'utilisation des goujons collés suscite des interrogations concernant leur tenue au feu. Bien que le matériau bois entourant les tiges de renforcement soit isolant, il est nécessaire de fournir de plus amples estimations concernant la tenue mécanique des polymères pour différentes températures que l'on pourrait trouver au sein d'une liaison au cours d'un incendie. La présente étude permet de coupler méthodes expérimentales et simulations numériques, afin d'appréhender les mécanismes gouvernant la rupture de ces assemblages. La caractérisation expérimentale permet d'estimer les propriétés mécaniques locales des assemblages suivant divers paramètres (les longueurs de scellement, l'orientation du fil du bois, l'essence de bois, ou encore la température d'exposition), ainsi que les propriétés intrinsèques aux matériaux constitutifs. Cette base de données expérimentale est indispensable pour l'ajustement du modèle aux éléments finis en élasticité linéaire. L'approche numérique met en évidence une présence importante de contraintes normales en tête de collage, avant l'apparition de contraintes de cisaillement. Les outils de la Mécanique Linéaire Élastique de la Rupture équivalente permettent d'établir des courbes de résistance liées à chaque mode de ruine (mode I et mode II). Enfin, afin de décrire précisément le processus complet de rupture de ces assemblages, un critère de rupture en mode mixte (mode I et mode II) est utilisé. Une formulation analytique permettant d'estimer la charge au pic est proposée et permettra la réalisation d'abaques de dimensionnement des assemblages par goujons collés, utilisables en bureau d'études.

Les éprouvettes de pin weymouth et de hêtre ont été imprégnées par la résine de pétrole SP80, avec ou sans compression plastique entre plateaux froids du bois préchauffé. On étudie les cinétiques de reprise d'humidité et des gonflements associés. Les bois imprégnés présentent une meilleure stabilité dimensionnelle, le traitement mixte conduisant à des conclusions plus réservées. La recherche de modélisations empiriques des propriétés mécaniques sous forme de régressions linéaires des paramètres caractéristiques des traitements n'ont pas donné de résultats statistiquement significatifs

Le scellement chimique est une technique d’assemblage structural permettant de connecter et d’assurer le transfert d’efforts entre deux éléments adjacents en béton, à travers le collage d’une armature en acier à l’aide d’une résine polymère. Les scellements chimiques ont été initialement utilisés dans les ouvrages en béton armé pour la rénovation, l’extension et la réparation des structures à travers l’ajout de nouvelles sections de béton aux éléments existants. L’évolution, au fil du temps, des propriétés mécaniques et des propriétés d’adhérence des résines polymères a permis d’améliorer le comportement mécanique des scellements chimiques, leur permettant d’atteindre des propriétés équivalentes ou même supérieures à celles des ancrages mécaniques classiques, à des températures normales de service. Ainsi, les scellements chimiques ont pu progressivement substituer les ancrages mécaniques classiques dans certaines applications, en proposant des solutions plus avantageuses et en offrant plus de flexibilité pour répondre aux exigences architecturales. Cependant, le comportement mécanique des scellements chimiques est principalement gouverné par celui des résines polymères, qui demeurent très sensibles à la variation de la température. Par conséquent, l’augmentation de la température au niveau des scellements chimiques présente un risque potentiel affectant leur sécurité d’utilisation. Par ailleurs, une situation d’incendie présente un danger sérieux qui doit être considéré lors du dimensionnement des scellements chimiques. Récemment, la technique des scellements chimiques, exclusivement utilisée dans les ouvrages en béton armé, a été transférée à la construction des ouvrages bois, sous l’appellation de « goujons collés ». Cette technique, originellement utilisée dans la rénovation et le renforcement des monuments historiques, est aujourd’hui employée dans la construction neuve grâce à la bonne tenue mécanique et séismique et aussi à la possibilité qu’elle offre pour réaliser des assemblages invisibles. Cependant, les goujons collés sont aujourd’hui confrontés aux mêmes problématiques que les scellements chimiques, notamment vis-à-vis l’augmentation de la température. L’objectif de cette thèse est d’étudier l’évolution du comportement mécanique de ces deux systèmes d’assemblages dans le but de proposer une méthode de dimensionnement permettant d’assurer leur tenue structurale en situation d’incendie. L’étude est répartie sur quatre niveaux :i. Etude du comportement des ancrages chimiques à l’échelle des matériaux à travers des essais de caractérisation des constituants de l’ancrage, avec une focalisation particulière sur l’étude des phénomènes se produisant à haute température dans la résine polymère.ii. Etude du comportement global de l’ancrage par le biais d’essais d’arrachement à haute température, à effort constant et à température stabilisée, réalisés sur des scellements chimiques dans des cylindres en béton et des goujons collés dans des parallélépipèdes en lamellé-collé d’épicéa.iii. Etude du comportement mécanique à haute température des ancrages chimiques à l’échelle de la structure à travers la réalisation d’un essai au feu à l’échelle 1 sur une dalle en console ancrée chimiquement dans un mur en béton par 8 scellements chimiques. Les résultats de cet essai ont permis de valider la méthode de dimensionnement proposée pour prédire la durée de résistance au feu des scellements chimiques lors d’une situation d’incendie.iv. Etude théorique portant sur l’évolution de la distribution des contraintes le long de l’ancrage lors d’une variation de la température, à travers le développement d’un modèle non linéaire de cisaillement différé « Shear-lag », permettant d’obtenir les profils théoriques des contraintes pour une distribution thermique quelconque, à partir des données d’entrée expérimentales obtenues par des essais d’arrachement
Post-installation of rebars is a structural joining technique allowing the connection and the load transfer between two neighboring structural elements using steel rebars and adhesive polymers. Post-installed rebars were initially used in concrete constructions in retrofitting, extension and in repairing structures by adding new concrete sections to existing elements. Over the time, the improvement in mechanical and adhesion properties of polymer adhesives have allowed to enhance the mechanical behavior of post-installed rebars and led to achieve equivalent or even higher mechanical responses than cast-in place rebars at normal operating temperatures. Thus, post-installed rebars have gradually replaced cast-in place rebars in new constructions for some applications by offering advantageous solutions and flexibility allowing meeting the high architectural requirements. However, the mechanical behavior of post-installed rebars is essentially governed by the mechanical properties of polymer resins, which remain highly sensitive to temperature variation. Consequently, the temperature increase of the post-installed rebars presents a potential risk affecting their safety use. Therefore, fire presents a serious hazard that should be considered when designing post-installed rebars. Recently, the technique of post-installed rebars, exclusively used in reinforced concrete structures, has been transferred to wood structures construction, and called "glued-in rods". This technique, initially used in the retrofitting and the reinforcement of historical monuments, is today used in new construction thanks to its good mechanical and seismic behavior in addition to the possibility it offers to make invisible connections. However, glued-in rods face the same problems as post-installed rebars, especially concerning the temperature increase. The aim of this thesis is to study the evolution of the mechanical behavior of these two connection techniques in order to suggest a design method allowing ensuring their safe use in a fire situation. The study is divided into four levels:i- Study of the behavior of chemical anchors at the scale of materials through characterization tests performed on the anchor components, with a particular emphasis on the study of phenomena occurring at high temperature in the polymer resin.ii- Study of the global behavior of chemical anchors by means of pull-out tests performed at high temperature, at constant load and at stabilized temperature, carried out on post-installed rebars in concrete cylinders and on glued-in rods in parallelepipeds of spruce glulam.iii- Study of the mechanical behavior at high temperature of chemical anchors at the scale of the structure through a full-scale fire test carried out on a cantilever concrete slab connected to a concrete wall using eight post-installed rebars. Test results were also used to validate the suggested design method to predict the fire resistance duration of post-installed rebars in a fire situation.iv- Theoretical study on the evolution of the stress distribution along the anchor during a temperature variation, through the development of a non-linear shear-lag model, allowing to obtain the theoretical stress profiles for any thermal distribution, from the experimental input data obtained by pull-out tests

Le soudage du bois par rotation à haute vitesse est une technique qui a été développée durant les cinq dernières années. La rotation à haute vitesse permet le soudage du goujon en bois, sans ajout d’adhésif, avec une force considérable. Le procédé de soudage est basé sur la friction mécanique créée par la haute vitesse de rotation. Ce procédé a démontré être aussi efficace que le procédé de soudage par vibration, induisant une température favorisant le ramollissement des constituants structuraux, principalement du matériau polymère amorphe dans la structure du bois, notamment, la lignine, mais aussi les hémicelluloses. Ceci a pour conséquence une forte densification au niveau de l'interface soudée. L'objectif de cette étude était d'analyser les changements chimiques qui se produisent lors du soudage par rotation avec des goujons et des substrats en bois provenant de deux essences feuillues canadiennes : l'érable à sucre (Acer saccharum) et le bouleau jaune (Betula alleghaniensis). Les analyses chimiques ont été effectuées en utilisant la pyrolyse couplée à la chromatographie gazeuse GC et à la spectrométrie de masse MS. L’étude de la modification structurale du bois après soudage a été complétée par l’utilisation des techniques DSC et XPS. Les différences en composition chimique du bois entre deux essences influencent l’efficacité du procédé de soudage. L’augmentation de la température à l’interface provoque une plus forte dégradation des hémicelluloses comparée à celle de la cellulose et de la lignine. La lignine est modifiée dans une certaine gamme de température. Les méthodes traditionnelles d'analyse chimique ont été utilisées pour déterminer la composition chimique de l'érable à sucre et du bouleau jaune. Les résultats montrent que la teneur en lignine de l'érable est plus élevée que celle du bouleau, tandis que la quantité d'hémicelluloses est plus faible que celle du bouleau. La composition en cellulose des deux feuillus est similaire. Les résultats de l'analyse chimique peuvent expliquer en partie les résultats des tests mécaniques de traction qui démontrent que l’utilisation du bois de l'érable permet d’obtenir une meilleure qualité de soudage qu’avec le bois du bouleau. Les modifications chimiques qui se produisent lors du soudage par rotation.ont été examinées par l’’analyse comparative par Pyrolyse-GC/MS, DSC et XPS, d’un échantillon provenant du substrat en bois dans la zone non soudée (bois de référence) avec celle d’un échantillon provenant de la zone soudée. Les résultats de ces analyses indiquent que les différences de performances mécaniques obtenues avec les deux essences sont essentiellement dues due aux différences dans les structures de la lignine d'origine de deux essences ainsi qu’aux différences de températures de soudage mesurées. L’analyse détaillée des composés identifiés par Py-GC-MS, ainsi que les ratios S/G et L/C est présentée dans ce ratio. La haute température à l’interface de soudage relevée dans le cas de l'érable à sucre pourrait être responsable d'une meilleure fusion des polymères du bois dans cette zone. Ceci explique une plus grande présence de dérivés des hémicelluloses due à la formation d'un nouveau complexe Lignine-polysaccharide (LCC) dans le matériau soudé.
Wood welding by high speed rotation is a technique that has been developed during the last five years. High-speed rotation-induced wood dowel welding, without any adhesive, is shown to rapidly yield wood joints of considerable strength. The welding process is based on mechanical friction created by the high speed rotation. This method has proven to be as effective as vibration welding process, causing a temperature favoring the softening of the main constituents, mainly amorphous zones of cells connecting the polymer material in the structure of wood, including lignin, but also hemicelluloses. This results in high densification of the bonded interface. The goal of this study was to analyze the chemical changes that occur during the rotational welding with dowels of two Canadian hardwood species: sugar maple (Acer saccharum) and yellow birch (Betula alleghaniensis). Chemical analysis was performed using pyrolysis coupled with gas chromatography and mass spectrometry (Py-GC/MS). The study of the structural modification of wood after welding was conducted using DSC and XPS techniques. The differences in chemical composition of both wood species influence the effectiveness of the welding process. Increasing the temperature at the interface causes a higher degradation of hemicelluloses compared to cellulose and lignin. Lignin is softened in a certain range of temperature. The traditional chemical analysis methods were used in this work to determine the chemical compositions of sugar maple and yellow birch. The results show that the lignin content of the maple is higher than that of birch, while the amount of hemicelluloses is lower than that of birch. The contents of cellulose in both hardwood species are very similar. The results of chemical analysis may partly explain the results of mechanical tensile tests which demonstrate that the maple wood yields a better welding quality as opposed to the birch wood. The chemical changes was examined which occur during welding in rotation. The analyses performed separately on wood substrate (reference wood) and welded material by using pyrolysis-GC/MS, DSC and XPS techniques. It is shown that the differences in mechanical performances of the two welded woods are due mainly to the differences in original lignin structures as well as in the welding temperatures determined for the two wood species. The detailed analysis of compounds identified by Py-GC-MS, the ratios S/G and L/C have been discussed. The higher temperature welding found in cases of sugar maple might be responsible for a better miscibility of polymers of wood in the welding zone. This explains the greater presence of hemicellulose derivatives with the formation of a new lignin-polysaccharide complex (LCC) in the welded material.

Ce projet de maîtrise est réalisé sous la direction d’André Bégin-Drolet et Pierre Blanchet dans le cadre de la Chaire de recherche industrielle CRSNG – Canlak en finition des produits du bois d’intérieur (CRIF). L’objectif principal est de fournir des connaissances permettant de guider les processus de densification et d’augmentation de la dureté des lames de plancher d’ingénierie pour une production à l’échelle industrielle afin de rendre les planchers plus durables et résistants. La revue de littérature a, dans un premier temps, permis de conclure que l’imprégnation sous vide est la méthode de densification de surface la plus rapide et efficace dans le cas du bois. Les modèles discutés, dont celui de Fito et al.[1], ainsi que des modèles de mécanique des fluides, ont révélé les paramètres d’imprégnation optimaux. Parmi ceux-ci, il y a la viscosité de la formulation d’imprégnation qui doit être la plus faible possible afin de maximiser la pénétration dans les pores du bois. Le liquide s’imprègne en venant combler les pores du bois puis il se fige grâce à la polymérisation, rendant ainsi le bois plus durable. Dans un deuxième temps, il est proposé de faire de l’imprégnation sous vide en continu et de façon automatisée. Deux prototypes réels ont été conçus afin de confirmer les paramètres d’imprégnation choisis ainsi que de trouver une séquence d’opération. Finalement, un prototype automatisé permettant de faire l’imprégnation de planches de plancher d’ingénierie est présenté. Celui-ci est évalué à 125000$ pour les coûts totaux de fabrication et confère une cadence de production de 0.7 m²/s.
This master's project is carried out under the direction ofAndré Bégin-Drolet and Pierre Blanchet as part of the CRSNG – Canlak en finition des produits du bois d’intérieur (CRIF). The main objective is to provide knowledge to guide the densification and hardness increase of engineered floorboards of industrial scale production in order to make floors more durable and resistant. The literature review initially concluded that vacuum impregnation is the fastest and most effective method of surface densification for wood. The models discussed, including that of Fito et al.[1], as well as fluid mechanics models, revealed the optimal impregnation parameters. These include the viscosity of the impregnation formulation, which should be as low as possible in order to maximize penetration into the wood pores. The liquid impregnates by filling the pores of the wood and then sets through polymerization, making the wood more durable. In a second step, it is proposed to carry out vacuum impregnation continuously and automatically. Two real prototypes have been designed in order to confirm the chosen impregnation parameters as well as to find a sequence of operation. Finally, an automated prototype allowing the impregnation of engineering floor boards is presented. It is evaluated at $125,000 for total manufacturing costs and gives a production rate of 0.7 m²/sec.

Le bois est une ressource renouvelable qui est utilisée comme matériau dans les produits d'apparence depuis des années. Malgré sa résistance mécanique supérieure, différents procédés de modification ont été développés pour améliorer la dureté du bois et en faire un matériau encore plus durable. L'imprégnation avec des monomères est une méthode de modification prometteuse, compte tenu de son coût et de sa disponibilité. Ce procédé est actuellement mis en oeuvre pour produire des composites bois-polymère (CBP), qui peuvent présenter des qualités physiques modifiées et améliorées par rapport à un produit en bois non traité. Le développement industriel est principalement concentré sur la production de ces composites pour de nombreuses applications telles que la construction civile, les meubles, les revêtements de sol et les équipements sportifs. Actuellement, l'imprégnation des monomères est réalisée par la méthode du vide-pression. Le produit chimique réalisable avec cette méthode est considéré comme élevé; dans certains cas, jusqu'à 200 %. Les produits CBP ont présenté des propriétés mécaniques améliorées et une meilleure résistance à l’absorption de l'eau. Cependant, le procédé d’imprégnation dure environ 1 heure et le bois doit être immergé dans le liquide (processus à cellules complètes de Bethell). Pour cela, ils peuvent être considérés comme un gaspillage tant sur la quantité de matériaux que sur la durée du processus. Des études antérieures ont conclu que la réalisation d'une imprégnation de monomère sur une surface de bois feuillus en utilisant une courte période de vide était réussie et pouvait réduire ces problèmes. Par conséquent, le besoin de moyens pour réduire le temps et le coût de l'imprégnation industrielle s'est formé. L'objectif de ce travail était d'évaluer les paramètres qui influencent la pénétration des monomères dans la surface tangentielle des échantillons de bouleau jaune (Betula alleghaniensis Brit.) et de chêne rouge (Quercus rubra L.). Les facteurs analysés étaient la viscosité des formulations monomères, la température de surface, le niveau de vide appliqué au procédé, le temps d’absorption et l’anatomie des échantillons. Après l’imprégnation, le gain de masse des échantillons a été calculé. La profondeur de pénétration du monomère a été calculée à l'aide des profils de densité (pour les échantillons de bouleau jaune) et la pénétration a été visualisée avec une imagerie par micro-tomographie aux rayons X. Les résultats ont montré que la température de surface n'a influencé le gain de masse pour aucune des espèces étudiées. Cependant, l'augmentation de la température a accéléré le processus de polymérisation des formulations monomères, ce qui peut avoir limité l'augmentation de la rétention chimique pour une température plus élevée. Les images de micro-tomographie après étude de la température ont montré que l'imprégnation était concentrée près de la surface des échantillons, c'est-à-dire qu'il n'y avait pas de pénétration profonde des monomères. La soumission des échantillons à un bref niveau de vide a augmenté le gain de masse des échantillons par rapport à l’imprégnation sous pression atmosphérique. La force motrice de la pénétration du monomère était la différence de pression imposée par le niveau de vide, qui a surmonté l'action capillaire. Pour les échantillons de bouleau jaune, la variation des niveaux de vide n'a pas affecté de manière significative les résultats de gain de poids, peut-être en raison de la taille de ses pores. Pour le chêne rouge, le niveau de vide était signifiant et la rétention chimique augmentait avec la différence de pression. Les scans micro-tomographiques ont montré une distribution plus contrôlée et uniforme des monomères. Enfin, le temps d'absorption après relaxation sous vide était significatif dans la rétention de monomère. Le contact des deux espèces avec les formulations pendant plus de 5 minutes a considérablement augmenté l’apport de monomères. Des scans aux rayons X ont montré que pour les deux espèces, plus de pores étaient remplis. La profondeur de pénétration n'a pas tellement augmenté pour le bouleau jaune, mais elle a augmenté pour le chêne rouge. Avec cela, on peut dire qu'un temps d'absorption plus prolongé permet à la capillarité de continuer à remplir les récipients vides du bois jusqu'à ce que la pression interne soit égale à la pression externe. Cette recherche peut encourager des travaux futurs pour étudier la faisabilité de la réduction des cycles vide-pression dans les procédés industriels. Cette méthode peut permettre de densifier la surface d'intérêt d'un produit en bois de manière contrôlée, avec des coûts réduits et d'éviter le gaspillage de matière d'imprégnation.
Wood is a renewable resource that has been used as a material in appearance products for years. Despite its superior mechanical resistance, different modification processes have been developed to enhance the hardness of wood and make it an even more durable material. Impregnation using monomers is a promising modification method, given its cost and availability. This process is currently being implemented to produce wood polymer composites (WPC), which can have modified and improved physical qualities compared to an untreated wood product. Industrial development is mostly focused on the production of these composites for many applications such as civil construction, furniture, flooring and sports equipment. Currently, monomer impregnation is carried out by the vacuum-pressure method. The amount of chemical that can be obtained by this method is considered to be high; in some cases, up to 200%. The WPCs produced have improved mechanical properties and greater resistance to water impregnation. However, the impregnation process takes about 1 hour, and the wood must be immersed in the liquid (Bethell’s full-cell process). This can be seen as a waste of both material and time in the process. Previous studies have concluded that performing a monomer impregnation on a hardwood surface using a short vacuum period was successful and could reduce these problems. Therefore, it became necessary to find ways to reduce the time and cost of industrial impregnation. The objective of this work was to evaluate the parameters influencing monomers penetrationin tangential surface samples of yellow birch (Betula alleghaniensis Brit.) and red oak (Quercus rubra L.). The factors analyzed were the viscosity of the monomer formulation, surface temperature, vacuum level applied to the process, sample anatomy, and absorption time. After impregnation, the weight gain of the samples was calculated. The penetration depth of the monomer was calculated using density profiles (for yellow birch samples) and the penetration was visualized using X-ray tomography imaging. The results showed that surface temperature did not influence weight gain for any of the species studied. However, the increase in temperature accelerated the polymerization process of monomeric formulations, which may have limited the increase in chemical retention at higher temperatures. Microtomographic images after the temperature study showed that the impregnation was concentrated near the surface of the samples, i.e., there was no deep penetration of monomers. Subjecting the samples to a short vacuum level increased the weight gain of the samples compared to impregnation under atmospheric pressure. The driving force behind the monomer penetration was the pressure difference imposed by the vacuum level, which overcame capillary action. For Yellow birch samples, the variation of vacuum levels did not significantly affect the weight gain results, possibly due to the size of its pores. For red oak, the vacuum level was significant, and the chemical retention increased with pressure differential. Microtomographic scans showed a more controlled and uniform distribution of the monomers. Finally, the absorption time after vacuum relaxation was significant in monomer retention. The contact of both species with the formulations for more than 5 minutes significantly increased monomers intake. X-ray scans showed that for both species, more pores were filled. The depth of penetration did not increase so much for yellow birch but increased for red oak. Thus, it can be said that a longer absorption time allows capillarity to continue filling the empty vessels of the wood until the internal pressure is equal to the external pressure. This research may encourage future work to study the feasibility of reducing vacuum pressure cycles in industrial processes. This method can enable hardening the surface of interest of a wood product in a controlled manner, with reduced costs and avoid wasting of impregnation materials.