Matériaux


TECHNOLOGIE DU BOIS (collectif Pou.Guide)

Une étape initiale importante dans la construction d'un appareil volant se situe dans la sélection du bois à employer et son débit. Ce chapitre constitue un petit guide pour éviter des erreurs ou lever des doutes. Il s'agit d'une compilation/simplification d'articles divers parus par exemple dans la revue du RSA principalement sous la signature de Henri Fékété, et extraits d'ouvrages connus concernant la construction aéronautique.

Les caractéristiques des bois varient selon les essences, que l'on répartit en deux groupes principaux : résineux et feuillus. Et parmi les feuillus, on différencie encore les feuillus tendres (peuplier, balsa) et les feuillus durs (hêtre, frêne), voire très durs (hickory).

Sapin : On trouve dans le commerce sous l'appellation de sapin aussi bien le sapin blanc que l'épicéa. Tous deux sont surtout utilisés pour la construction des cales d'encoignures, montants de cadres et semelles de nervures.

Spruce et Pin d'Oregon (Douglas) : possèdent des fibres très parallèles et sont assez colorés. On les emploie pour les semelles de longerons et de nervures, poutres-fuselages, couples de fuselage. Le pin sylvestre a des caractéristiques mécaniques très proches du pin d'Oregon. Sapin, épicéa et spruce sont des résineux légers ; Pin d'Oregon et pin sylvestre sont des résineux mi-lourds.

Peuplier : la variété la plus commune en France est le grisard. Le peuplier se travaille très bien surtout s'il est sec. Il est léger (densité 0,400 à 0,450), se mâche et se déforme sous les chocs sans casser. Il n'est pas sujet aux vermoulures, mais il pourrit très vite à l'humidité.

Okoumé (ou acajou du Gabon) : léger, presque toujours sans nœud. Il est utilisé surtout sous la forme de contreplaqué.

Balsa : Bois d'Amérique Centrale de très faible densité (0,1 à 0,2). Cette extrême légèreté et sa faible résistance le font utiliser uniquement sous forme massive (cales de remplissage, raccordements).

Bouleau : Bois à aubier et cœur confondus, de grain peu serré. Il se travaille facilement et sert à confectionner les meilleurs contreplaqués d'aviation.

Frêne : Bois droit fil à grain grossier. C'est le plus flexible et le plus tenace des bois Français. On tire profit surtout de ses qualités de flexibilité (lames de train, cales flexibles).

Hêtre : Bois dur à grain assez fin, qui se travaille bien. Mais sous l'action de l'humidité, il travaille constamment : il se "tortille". Il ne peut être utilisé que sous la forme de cales massives ou renforts contrecollés. On l'utilise aussi pour les hélices à cause de sa résistance, tant pis pour ses tortillements ...

Les résineux ont des fibres longues et offrent une bonne résistance mécanique en compression axiale par rapport à leur poids. Les feuillus ont une résistance mécanique généralement supérieure aux résineux (sauf exception : balsa !), mais leur densité est proportionnellement plus élevée. Les feuillus durs sont les seuls utilisables pour les pièces travaillant en compression transversalement aux fibres.



DÉBIT DES BOIS

Le bois est un matériau composite naturel dont les caractéristiques mécaniques sont très différentes selon le sens dans lequel elles s'appliquent. Les meilleures caractéristiques mécaniques sont obtenues dans la direction parallèle aux fibres. Dans le sens transversal aux fibres, les caractéristiques sont très nettement inférieures. De ce fait, le débit des bois tout comme l'orientation des fibres dans une structure travaillante sont très importants.

Les caractéristiques mécaniques de bois varient selon leur origine géographique, car les conditions locales (sol, environnement immédiat, et surtout climat) de l'endroit où l'arbre s'est développé ont un effet prépondérant sur sa qualité. Lorsque les conditions de vie de l'arbre sont bonnes, le bois pousse vite mais produit des cernes d'accroissement annuels trop épais ; il reste tendre, sans grande résistance, et fait pousser des branches qui provoquent des nœuds. Au contraire, c'est un climat rude qui donnera des bois de meilleure qualité : accroissements annuels faibles, fibres serrées et rectilignes, meilleure résistance.

Selon les spécifications officielles américaines, le nombre minimum d'anneaux annuels au pouce (1 pouce = 25,4 mm) est le suivant :

- Spruce de Sitka (ou en Québecois : épinette Sitka) : 6 ;
- Épinette noire ou blanche du Québec: même norme mais attention aux poches et nœuds, à cause de l'exploitation excessive des forêts (les arbres poussent moins haut avant de trouver de la place pour leurs branches, qu'ils développent plus tôt et plus nombreuses, d'où les nœuds ...) ;
- Red pine (pin rouge) : 6 ;
- Douglas fir (sapin Douglas ou pin d'Oregon, qui vient souvent de Colombie Britannique) : 8 ;
- Western hemlock (sapin de l'ouest du Canada) : 6 ;
- Port Orford cedar (variété de cèdre, équivalent en résistance au sapin de l'ouest ou au pin Douglas) : 8 ;
- California red fir (sapin rouge de Californie) : 8.

L'épinette Sitka utilisée par Paul Pontois pour son HM-293 fait au minimum 10 anneaux au pouce. Elle provient de chez Létourneau, un facteur d'orgue qui prétend que ce bois est irremplaçable pour sa sonorité. Paul ne sera pas surpris si son Pou joue du Bach au décollage et du Mozart à l'atterrissage ...

 



En haut, du spruce de bonne qualité ; en bas, du sapin de supermarché inutilisable ...

Pour les nœuds et les poches de résine, on applique des formules de calcul compliquées. Pour simplifier, on considère généralement qu'un nœud ne doit pas être plus gros qu'un seizième de la largeur du longeron ou de la membrure. Mais le mieux, c'est AUCUN nœud : tant qu'à payer cher, autant que ce soit pour de la qualité !

Lorsqu'un arbre est abattu, il est débité selon les usages commerciaux, qui plus est variables selon les régions, qui ne correspondent pas à l'usage aéronautique. On doit éliminer le bois d'aubier des feuillus (zone de quelques centimètres côté écorce), qui n'offre pas de résistance suffisante en construction aéronautique. En revanche, l'aubier des bois résineux peut être utilisé sans inconvénient.

Pour être utilisables en construction aéronautique, les bois utilisés doivent présenter une croissance régulière et faible, de telle sorte que les fibres soient aussi serrées que possibles. Les pièces débitées ne doivent si possible contenir aucun nœud, ni poche de résine, ni fibres anormalement alignées, ni fentes, blessures, trous de vers, champignons (qui colorent anormalement le bois), etc..

Dans les résineux, les poches de résine sont parfois indétectable de l‘extérieur. Il est donc prudent de ne pas utiliser des pièces plus épaisses que 7-10 mm pour les structures primaires. Par exemple pour une semelle de longeron, il est mieux de superposer par collage trois planches de 7 mm que d’utiliser une planche unique de 21 mm. De plus, cette pièce lamellée aura une résistance mécanique supérieure à celle de la planche monobloc.

Selon les normes utilisé en Belgique, sont admis à la rigueur les défauts suivants :
- très petits nœuds sains et adhérents (moins de 5 mm de diamètre) ;
- petites poches de résine mesurant moins de 30 mm dans les sens axial et tangentiel et moins de 5 mm dans le sens radial ;
- petits trous de vers ;
- bleuissement de l’aubier.

Les pièces de bois doivent être débitées "de droit fil", c'est à dire parallèlement aux fibres. On peut vérifier ce point en glissant une lame de canif sous les fibres superficielles. Si une écaille plongeante se forme, on a affaire à un mauvais débit, dit "à fil tranché", qui doit en principe être rejeté. La norme admet toutefois pour les résineux une inclinaison des fibres de 7,5 % (7,5 cm sur 1 m de distance).

Les accroissements annuels doivent être parallèles aux faces. Sauf exception (arbre de grand diamètre), les accroissements annuels présentent une courbure ; mais des anneaux placés en diagonale sont à éviter :

La résistance du bois en compression transversale varie selon la position des couches annuelles : A est moins bon que B (ci-dessous).


Par contre, la résistance du bois à la flexion est bien meilleure pour une baguette ou une planche dont les fibres sont orientées comme sur la figure A.
On débitera donc une pièce en fonction de cette caractéristique, selon la direction et le type des efforts (traction ? compression axiale ? flexion ?) qu'elle aura à subir. Pour une semelle de longeron, on aura donc intérêt à débiter de telle sorte que le fil du bois soit vertical (schéma A), ce qui améliorera la rigidité.

Les photos ci-dessous représentent un banc d'essai de flexion simple, réalisé par les élèves de Matthieu Barreau. Avec ce dispositif aussi simple qu'ingénieux, dont la précision est fonction surtout de celle de la balance (mais bien mieux que ce que l'on pourrait en attendre ; le mieux est de réduire l'erreur relative en visant une casse de l'éprouvette aux alentours de 70 daN), n'importe qui est capable de vérifier que l'orientation et la qualité des fibres d'une baguette de bois ont une importance très grande dans la résistance en flexion :

Les baguettes-échantillons (section 15 x 15 mm), placées ici dans le sens de leur meilleure résistance en flexion (couches annuelles verticales)

La "machine" à l'œuvre ... Espacement des montants latéraux : 300 mm


La pièce métallique qui transmet les efforts est arrondie, pour ne pas blesser les fibres de la baguette lors du test.

Le résultat : édifiant ! On observe bien les problèmes que posent des fibres mal orientées.


Bois testés : sapin blanc de très bonne qualité (symbole S) ; pin sylvestre (symbole PS) ; pin d'Oregon (symbole PO). Les astucieux élèves et futurs ingénieurs, en plein travail, au moment crucial de la rupture.

Attirons enfin l'attention sur le problème de "fracture" du bois, évoqué par A. Serre et R. Renaud dans les Cahiers du RSA, après l'avoir été dans Sport Aviation n° 67. Il s'agit d'une rupture interne de fibres dans une pièce de bois mal manipulée lors de l'abattage, du transport ou dans l'atelier de sciage. Un arbre qui tombe de tout son poids sur un tronc déjà couché au sol (ou simplement sur un terrain inégal) peut subir une rupture des fibres soumises à compression lors de l'impact. Mais toutes les fibres ne sont pas cassées ou froissées, et la pièce de bois peut avoir repris sa forme initiale sous l'effet des fibres restées intactes. Seul le microscope permet de détecter la fracture des fibres, bien que l'examen du chant après tronçonnage donne déjà des indications assez sûres.

Mais ne soyons pas paranoïaques : des arbres tombés lors de la tempête de fin 1999 sont sur le marché ; ils ne sont pas forcément à rejeter pour cause d'abattage "aléatoire".

Une adresse ouaibe généraliste intéressante concernant le bois : http://passion.bois.free.fr/ ou plus directement sur le sujet de la qualité et du débit des bois qui nous préoccupe ici : http://passion.bois.free.fr/le%20materiau%20bois/index_materiau_bois.htm

 



DES CHIFFRES

Le tableau qui suit recense les caractéristiques mécaniques moyennes des essences courantes pour une humidité de 15 %, qui est la norme en France (en Allemagne, les valeurs sont données pour un taux de 12 % d'humidité).

La résistance du bois varie en effet selon son taux d'humidité. Plus le bois est humide, et moins sa résistance est bonne. Un bois considéré comme sec à l'air ambiant contient 10 à 17 % de sa masse en eau.

En moyenne, une augmentation de 1 % du taux d'humidité fait perdre 4 % de la résistance en compression, ce qui est loin d'être négligeable. Le tableau (N° 1) ci-dessous est conforme à la norme Air-9395B (conditions techniques de réception et d'emploi des bois bruts débités), valable en France et en Belgique :

 

La résistance en compression axiale est la donnée la plus importante car sa valeur est utilisée directement dans les calculs de résistance de structures. Lors des mesures, effectuées au banc de test sur éprouvettes, les efforts sont exercés parallèlement aux accroissements annuels, c'est à dire "en bout" des fibres. Il s'agit donc bien de compression axiale :

En réalité, contrairement à ce que le schéma ci-dessus peut laisser penser, l'éprouvette de mesure sur banc (norme Air-9395B) a pour dimensions 20x20x30 mm en France, et 20x20x20 mm en Belgique ; les résultats étant corrigés pour tenir compte de cette différence de hauteur de l'éprouvette.

Dans le tableau ci-dessus, 3 valeurs sont fournies (en rouge). La première colonne concerne le bois de 2ème choix ; la seconde colonne donne les caractéristiques du bois surchoix1, et la troisième colonne donne celles du surchoix3. Les valeurs pour le 1er choix et le surchoix2 ne sont pas indiquées ; on peut les extrapoler des valeurs indiquées dans le tableau.

Pour toutes les essences de bois, il est recommandé pour les calculs de structures d'adopter un rapport traction/compression de 1,5. Cela signifie que l'on considère "officiellement" que la résistance du bois en traction est égale en moyenne à 1,5 fois sa résistance en compression (cela dans le sens des fibres, naturellement). En réalité, la résistance en traction atteint et même dépasse souvent 2,5 fois la résistance en compression si le bois est de très bonne qualité.

La "cote dynamique" est la valeur de la flexion dynamique, ou résilience (le "nerf" du bois). La valeur de flexion dynamique n'est pas employée dans les calculs de structures des avions. Il s'agit d'une sorte de coefficient de qualité qui permet de distinguer nettement un bois utilisable d'un bois altéré, distinction que la mesure de compression axiale ne fournit pas à elle seule. L'humidité du bois a peu d'influence sur sa résilience.

Un arbre parfaitement sain peut avoir une mauvaise cote dynamique s'il a poussé exposé au vent ou sur une pente : d'un côté de l'arbre les fibres sont tendues, et de l'autre côté elles sont compressées. Les pièces taillées dans cet arbre auront une forte tendance à se courber et les planches seront très difficiles à travailler. Pire encore si les fibres du bois sont torses : une baguette sera difficile à tailler dans un tel bois, et le résultat aura une forte propension naturelle au vrillage !

Attention, les densités peuvent varier considérablement (il suffit de peser un volume de bois pour connaître sa densité) : il y a de l'Oregon à 0,60 - 0,65 et l'on trouve par exemple de l'épicéa du Jura, très beau certes, mais à 0,55 ; c'est plutôt lourd si l'on fait tout l'avion avec un tel bois ! Un conseil utile pourrait être de réserver les bois les plus beaux mais denses aux longerons d'aile (pièces très chargées), alors que le fuselage peut se contenter de sapin plus courant et léger. N'oublions pas que le défaut de nombreux HM-293 actuels est le poids, qui grève leurs qualités de vol.

Quand un bois semble plus lourd que la normale, on peut aussi se poser la question de son séchage : beaucoup d'eau = beaucoup de poids. Le séchage naturel est de loin préférable au séchage en étuve, mais le séchage naturel est long (1, 2, voire 3 ans à l'air libre sous abri), ce qui va à l'encontre de l'intérêt économique du vendeur ! MAIS si la qualité de bois est prescrite sur les plans de l'appareil que l'on construit, utiliser très exactement ce qui est prescrit !!! Cet autre tableau (N° 2) des caractéristiques mécaniques des principaux bois utilisés en construction aéronautique est extrait du livre de Paul VALLAT édité en 1950 (quatrième partie, planche annexe 21) :

Remarques :

(1) Les densités et les caractéristiques mécaniques correspondent à une humidité de 15 %.
(2) Rétractabilité (dans le sens tangentiel aux couches annuelles) entre bois vert et étuvé.
(3) II : sollicitations dans le sens des fibres.
(4) I : sollicitations perpendiculaires aux fibres (valeurs minima radiale ou tangentielle).
(5) Cisaillements tangentiels (valeurs minima) à considérer en glissement de flexion.
(6) Modules d'élasticité longitudinaux E mesurés en flexion statique.

 



ENTURES et STOCKAGE

Dans une même structure, il est permis de mélanger plusieurs essences de bois. Mais il est strictement interdit de faire des entures pour rabouter deux bois d'essences différentes. De même, l'enture doit préserver la continuité d'orientation des fibres. Sur des pièces travaillant en traction, la longueur de l'enture doit être d'au moins 20 fois l'épaisseur de la pièce. Sur des pièces travaillant en compression, cette longueur d'enture doit atteindre au minimum 15 fois l'épaisseur, mais il n'est pas nuisible d'adopter également dans ce cas 20 fois l'épaisseur...

L'enture doit être réalisée de la manière qui offre la plus grande surface de collage: Le bois débité ou non doit être stocké bien à plat dans un endroit sec et surtout sans chauffage. Pour assurer une circulation d'air autour de lui, le mieux est de poser les pièces sur les barreaux d'une échelle.

Si les baguettes sont déjà débitées, on évite leur déformation inexorable (et définitive) en les serrant entre elles par exemple avec de l'adhésif. Nous vous engageons, pour compléter vos connaissances dans le domaine de l'utilisation du bois, à lire ou relire le chapitre " colle et collages " rédigé par Bruno CORBEAU et accessible sur ce site.

 




BIBLIOGRAPHIE LES BOIS : CONSEILS PRATIQUES

Revue du RSA LE BOIS EN CONSTRUCTION AÉRONAUTIQUE - H. Fékété -
Revue du RSA COURS DE RÉSISTANCE DES MATÉRIAUX - Paul Vallat 1947
LA CONSTRUCTION DES PLANEURS WOOD - Cahier de l'EAA

SITES OUAIBE

http://www.structures.ucsd.edu/casl/data_analysis/materials_database/woods.htm http://exp-aircraft.com/library/heintz/material.html (adresses fournies par Matthieu BARREAU)

 



Origine de l’article : question de Alain BERLAND sur la liste de diffusion
Texte : Jean-Pierre LALEVÉE, Bruno CORBEAU, Hans ENGELS, Paul PONTOIS
Photos : Matthieu BARREAU
Compo, schémas: Jean-Pierre LALEVEE
Mise en ligne: Thibaut CAMMERMANS


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