Durée de service du bois : l`outil et les connaissances

Transcription

Durée de service du bois :
l’outil et les connaissances développés
par le programme WoodExter
Le programme WoodExter avait pour objectif global d’établir les
bases du développement d’un modèle pour estimer la durée de
service du bois dans les ouvrages et d’élaborer des outils pour
faciliter la conception d’ouvrages performants.
Ce programme a permis de développer un outil de prédiction de
durée de service des platelages et des bardages, facile à utiliser.
Mais il a aussi contribué à enrichir les connaissances dans les
domaines de la durabilité et de la protection du bois.
Pour contacter l’auteur :
Laurence Podgorski
[email protected]
FCBA
Industries Bois Construction
Allée de Boutaut – BP 227
33028 Bordeaux Cedex
Tél. : 05 56 43 63 66
Durée de service du bois : l’outil et les connaissances développés par le programme WoodExter
Copyright FCBA INFO, Juin 2012
1
Financé par le réseau WoodWisdom-net sur la période 2007-2011, le
programme WoodExter a pour objectif global d’établir les bases du
développement d’un modèle pour estimer la durée de service du bois dans
les ouvrages et de préparer des outils pour faciliter la conception d’ouvrages
performants. Cette estimation combine les différents facteurs ayant une
influence sur la durabilité et la durée de service (dégradation biologique,
climat environnant, conception des ouvrages, finitions). Le projet a été
orienté sur le bois en classe d’emploi 3 et plus précisément sur les bardages
et platelages. Il s’agissait aussi, à travers ce programme, d’améliorer les
connaissances sur la durabilité et la performance du bois en extérieur.
Un outil de prédiction de durée de service
Un outil fonctionnant sous Excel (voir Figure 1) a été développé à
l’intention des architectes et concepteurs. Il est téléchargeable à partir du
site de FCBA (Télélecharger l’outil) et sur le site de l’Université de Lund en
Suède
(www.kstr.lth.se),
partenaire
du
programme.
A
travers
ses
différentes étapes, l’outil, simple et pratique, permet à l’utilisateur de
prendre en considération l’importance des différents paramètres sur la
durée de vie attendue.
La méthode choisie pour son développement est basée sur une approche
similaire à celle utilisée en conception de structure. Elle implique le choix
d’un état limite à ne pas dépasser pendant la durée de service de référence
supposée ici être de 30 ans, l’état limite étant ici le début de dégradation
fongique. Différents facteurs affectant la performance sont considérés, en
lien d’une part avec l’exposition (lieu géographique, climat local, degré de
protection, distance depuis le sol, détails de conception, utilisation et
maintenance des finitions) et, d’autre part, avec la résistance du bois
(propriétés intrinsèques du matériau, présence ou non d’aubier, utilisation
ou non d’un traitement de préservation).
2
L’exposition
doit
être
inférieure
à
la
résistance,
ce
qui
s’exprime
mathématiquement par l’équation (1) :
I Sd = I Sk γ d ≤ I Rd
(1)
dans laquelle :
ISd = valeur liée à la conception et à l’exposition
ISk = indice d’exposition
L’indice d’exposition est déterminé par :
I Sk = k S1.k S 2 .kS 3 .kS 4. I S 0 .ca
où :
IS0 = indice basique d’exposition dépendant du lieu géographique/climat
global
ks1 = facteur décrivant l'effet des conditions climatiques locales (mésoclimat)
ks2 = facteur décrivant l’effet de la protection (abri)
ks3 = facteur décrivant l'effet de la distance depuis le sol
ks4 = facteur décrivant l’effet de la conception détaillée
ca = facteur de calibrage à déterminer par des cas réels et des avis
d’experts
L'indice d'exposition a pour but de décrire la sévérité en termes de
conditions
combinées
d'humidité
et
de
température
favorables
au
développement de champignons de dégradation.
γd dépend de la classe de conséquence (conséquences attendues si l’état
limite est dépassé)
IRd = indice de résistance lié à la conception
Si la condition de l’équation (1) est satisfaite, alors la conception est
acceptée, sinon des changements de conception sont à effectuer.
3
La Figure 1 montre l’écran affiché par l’outil et les différents paramètres à
renseigner avant de visualiser la réponse en termes de conception : OK
(conception valide) ou NOT OK (conception non valide).
Figure 1 : Visualisation de l’outil
Cas d’un bardage en Western Red Cedar en bord de Manche, France
Une démarche en six étapes
De l’entrée de la classe des conséquence jusqu’à la validation ou non de
l’ouvrage, l’application se déroule en six étapes.
ÉTAPE 1 : L’utilisateur choisit la classe de conséquence afin de
définir γd.
La classe de conséquence dépend de la sévérité des conséquences en cas
de non performance (Tableau 1).
4
Tableau 1: Facteur de sécurité γd
comme fonction de classe de conséquence
Classe de conséquence
γd
1 Moderate : Faible (par exemple cas où il peut être acceptable de remplacer un
nombre limité d'éléments en bois dans une structure si la dégradation apparaît.)
0.8
2 Medium : Moyenne (par exemple cas où les conséquences attendues ont des
répercussions économiques et pratiques essentielles.)
0.9
3 High : Haute (par exemple éléments structurels en bois dont la rupture peut
impliquer un risque pour les personnes.)
1
ÉTAPE 2 : L’utilisateur définit la zone géographique
d’implantation de l’ouvrage afin de définir le macroclimat du
bardage ou platelage et la valeur de IS0.
Dans le projet Woodexter, trois niveaux de climat ont été considérés :
– le macroclimat est défini par le site géographique de l’ouvrage considéré,
– le mésoclimat prend en compte l’environnement de l’ouvrage
(topographie du terrain, présence de constructions voisines, proximité de
la mer),
– le microclimat est influencé par le composant bois lui-même, son
essence, sa forme, sa ventilation, etc.
Les experts impliqués dans le programme ont défini quatre catégories de
macroclimat pour le bois exposé au vent de pluie dominant (Tableau 2).
L'indice IS0 d'exposition climatique de base est une fonction du lieu
géographique et décrit l'effet climatique relatif sur une planche horizontale
d’aubier de sapin (exposée à la pluie, mais sans pièges d'humidité). IS0 = 1
a été choisi comme référence pour Helsinki.
5
Tableau 2 : Zones climatiques européennes
Zones climatiques
IS0
Description
Europe continentale
1.4
Toute l'Europe sauf les zones nordiques,
atlantiques et méditerranéennes
Zone climatique nordique
1.0
Europe du nord
Sud de la latitude 50°
2.0
Latitude 50-55°
1.7
Régions côtières, valeurs plus hautes dans
des parties du sud, plus basses dans les
parties du nord
Nord de la latitude 55°
1.4
Zone climatique méditerranéenne
1.5
Zones climatiques atlantiques
Régions méditerranéennes au sud des
Alpes
ÉTAPE 3 : L’utilisateur définit les conditions locales
(mésoclimat) dans lesquelles se trouvent le bardage ou le
platelage, afin de déterminer la valeur de kS1.
Le méso-climat tient compte de la topographie du terrain, des bâtiments
adjacents et la distance jusqu’à la mer. Les conditions locales sont décrites
en termes de quatre classes (Tableau 3). Le facteur ks1 est valable pour le
bois faisant face à la direction du vent dominant, puisque ce cas représente
l'exposition la plus sévère.
6
Tableau 3: Définition des conditions locales
Évaluation
Description
kS1
Faible
Les conditions locales ont peu d'impact sur la performance puisque
les trois caractéristiques suivantes offrent toutes une protection (i)
topographie de terrain (ii) constructions locales (iii)
> 5 km de la mer (pas d’effet maritime). (1)
0.8
Moyenne
Les conditions locales ont un peu d'impact sur la performance
puisque l’une des trois caractéristiques n'offre pas de protection (i)
topographie de terrain (ii) constructions locales à la protection (iii)
> 5 km de la mer (pas d’effet maritime).
1.0
Forte
Les conditions locales ont un impact sur la performance puisque
deux des trois caractéristiques suivantes n'offrent pas de protection
(i) topographie de terrain (ii) constructions locales (iii)
> 5 km de la mer (pas d’effet maritime).
1.2
Sévère
Les conditions locales ont un impact significatif sur la performance
puisque les trois caractéristiques suivantes n'offrent pas de
protection (i) topographie de terrain (ii) constructions locales (iii)
> 5 km de la mer (pas d’effet maritime). (2)
1.4
(1) Par exemple, le bâtiment est protégé par des collines et des constructions voisines, et se
situe à l’intérieur des terres.
(2) Par exemple, le bâtiment est sur une plaine, sans constructions voisines et à moins de 1 km
de la mer.
ÉTAPE 4 : L’utilisateur choisit les facteurs de correction pour
prendre en compte le microclimat du bardage ou du platelage
et permettre de définir les paramètres kS2, kS3 et kS4 de l’outil.
La protection par les avant-toits est décrite par un facteur ks2, qui est
fonction du rapport entre l’avancée de toit (e) et de la position du détail (d)
considéré (Figure 2).
L'effet de distance depuis le sol est décrit par un facteur ks3. Les valeurs des
coefficients ks2 et ks3 utilisés dans l’outil sont données dans les Tableaux 4
et 5.
7
Tableau 4 : Effet de protection apporté par les avancées de toit
Protection : rapport e/d (voir Figure 2)
kS2
e > 0.5d
0.7
0.15d < e < 0.5d
0.85
e < 0.15 d (directement exposé à la pluie)
1.0
Tableau 5 : Effet de la distance depuis le sol
Distance depuis le sol
kS3
> 300 mm
1.0
100 à 300 mm
1.5
< 100 mm
2.0
Figure 2 : Avancée de toit (e) et distance depuis le sol
8
L’utilisateur définit ensuite s’il s’agit d’un platelage (decking) ou d’un
bardage (cladding) et doit s’interroger sur sa conception. En effet, les
conditions de microclimat sont influencées par la conception des détails et
l’utilisateur de l’outil doit choisir parmi 5 catégories décrites dans le
Tableau 6.
Tableau 6 : Les différents niveaux de conception
Évaluation
Description
1. Excellent (Excellente)
Excellente conception comprenant des caractéristiques qui
maximisent l’évacuation de l’eau et la capacité de sécher lors
d’humidifications
2. Good (Bonne)
Bonne conception avec des caractéristiques permettant
l’évacuation de l’eau et la capacité de sécher lors d’humidifications
(correspond à la référence d'une planche horizontale sans pièges à
eau)
3. Medium (Moyenne)
Conception avec une probabilité limitée de piéger l’eau et avec une
certaine capacité de sécher lors d’humidifications
4. Fair (Passable)
Conception avec la probabilité moyenne de piéger l’eau et une
capacité limitée de sécher lors d’humidifications
5. Poor (Mauvaise)
Conception avec un risque élevé de piéger l’eau et une capacité
très limitée de sécher lors d’humidifications
L’utilisateur doit ensuite définir si l’ouvrage est revêtu d’une finition
(coated) ou non (uncoated), celle-ci limitant le risque de pourriture en
limitant les reprises d’eau.
Les étapes 2 à 4 permettent de calculer une valeur caractéristique ISk pour
l'indice d'exposition, valeur qui s’affiche via l’outil dans le tableau
récapitulatif « Parameters Value ».
9
ÉTAPE 5 : L’utilisateur sélectionne le matériau utilisé afin de
définir la classe de résistance et l’indice IRd.
Classe de résistance
du matériau
Exemples d’essences
IRd
Duramen de feuillus tropicaux très durables (afzelia par
exemple)
1
Bois de classe de durabilité 1
10.0
Aubier traité et satisfaisant les exigences de la classe
d’emploi 3
2
Duramen d’essences durables (châtaignier, western red
cedar…) (classe de durabilité 2)
5.0
3
Duramen d’essences moyennement à faiblement
durables (douglas, mélèze, pin sylvestre…)
(classe de durabilité 3 et 4)
2.0
4
Essences faiblement durables ayant une faible
perméabilité à l’eau (épicéa par exemple)
1.0
5
Aubier de toutes les essences et où la proportion
d’aubier dans l’élément non traité est forte
0.7
L’ÉTAPE 6 consiste à vérifier que l’équation de départ (1) est
satisfaite : dans ce cas, l’outil fournit une réponse favorable
(OK).
Dans le cas contraire (NOT OK), la conception est à revoir et des
changements de paramètres à effectuer au niveau des étapes 2, 3, 4 et 5.
Les bases du développement
Les valeurs utilisées dans le développement de l’outil reposent sur des
données expérimentales, des modèles physiques et des avis d’experts
présents dans le consortium. L’inspection d’une centaine de bardages et
10
platelages à travers l’Europe, incluant différents types de bois et différentes
durées en service (jusqu’à 30 ans), a également permis de vérifier la
pertinence des réponses procurées par l’outil.
L’évaluation et la classification des conditions d’exposition pour la classe 3
en Europe ont utilisé les travaux de Toratti et Viitanen (VTT en Finlande),
dans lesquels la perte de masse d’aubier de pin sylvestre exposé
horizontalement aux intempéries a été modélisée. Les données climatiques
utilisées (température, humidité relative, précipitations) sont celles du
ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts).
Les travaux ont permis d’établir la Figure 3 qui montre, pour l’Europe, la
perte de masse modélisée (en %) d’éprouvettes de pin sylvestre exposées à
la pluie durant 10 ans.
Figure 3 : Perte de masse modélisée (en %) d’éprouvettes
de pin exposées à la pluie durant 10 ans
11
L'indice IS0 d'exposition climatique de base du Tableau 2 a été défini à
partir d’un modèle dose-réponse (Brischke, 2007) appliqué à l’aubier
d’épicéa et dans lequel les effets de la température et de l’humidité sont
combinés, afin de déterminer la dose journalière en termes de risque de
développement fongique. Ce modèle a permis d’établir la Figure 4 qui
représente la carte d’évaluation du risque relatif fongique par rapport au
site d’Helsinki pour lequel IS0 = 1.
Figure 4: Évaluation du risque relatif de dégradation fongique
12
Autres domaines couverts par le programme de recherche
Le
programme
comprenait
une
importante
partie
expérimentale,
notamment les points suivants.
Indicateurs précoces de dégradation
Un volet du programme s’est intéressé à l’étude d’indicateurs précoces de
dégradation. Dans ce contexte, un modèle micromécanique a été utilisé
pour
évaluer
l’effet
de
la
dégradation
fongique
sur
les
propriétés
mécaniques du bois. L’objectif était de prévoir les changements de
propriétés mécaniques macroscopiques basées sur des altérations de la
microstructure. Il a été montré que :
– Les modules d’élasticité transverses (radial et tangentiel) sont plus
sensibles à la dégradation que le module élasticité longitudinal
(dégradation des hémicelluloses).
– La pourriture brune affecte plus fortement le bois initial que le bois final à
l’inverse de la pourriture blanche.
– Le modèle micromécanique permet la prédiction de changements de
propriétés mécaniques du bois massif basée sur des changements
microstructurels, à la fois dans le sens longitudinal et dans les sens
transverses.
Dans ce même volet, des expérimentations ont concerné la détection et
l’identification précoce de la dégradation par PCR quantitative. La PCR
quantitative (qPCR) est une méthode de biologie moléculaire d’amplification
génique permettant de mesurer la quantité d’ADN. Il s’agissait, via cette
méthode, d’acquérir des connaissances sur les modes de colonisation
fongique suivant les supports bois : bois non traité, bois modifiés (traités
thermiquement, acétylés, furfurylés), bois préservés.
13
L’étude montre que :
– Pour le pin sylvestre non traité (référence), la colonisation fongique
augmente durant l’incubation.
– Pour les bois modifiés, on note une diminution d’ADN fongique après les
deux premières semaines d’incubation. Dans les semaines suivantes, la
quantité d'ADN a baissé à un niveau qui était grossièrement la moitié de
la quantité observée après deux semaines d'incubation. Différentes
hypothèses de mode d’action ont été émises: inhibition d’enzymes, taux
d’humidité plus bas, accès plus difficile par blocage de la paroi cellulaire.
– Pour les bois préservés (Cu-HDO, CCA), la quantité d'ADN fongique
baisse plus fortement que sur les bois modifiés.
Interactions bois-finitions
Le programme Woodexter comprenait une partie consacrée aux interactions
bois-finitions. Il s’agissait d’étudier l’influence du support bois sur les
performances des revêtements et, en particulier, les interactions avec les
bois modifiés (acétylés, furfurylés, traités thermiquement) et les bois
préservés (classe d’emploi 3). Différentes finitions en phase aqueuse,
appliquées en différentes épaisseurs et différentes pigmentations, ont été
étudiées. Les bois utilisés ont été le pin sylvestre, l’épicéa, le pin sylvestre
furfurylé, le pin sylvestre traité thermiquement et le pin radiata acétylé.
Les résultats montrent que l’absorption d’eau d’une surface peinte dépend
beaucoup du support bois sous le revêtement. Elle peut varier du simple au
double selon la nature du bois que la finition recouvre. Les absorptions sont
moins fortes sur les bois modifiés. Le taux d’humidité du bois est fortement
dépendant du nombre de couches de la finition qui le recouvre. Le nombre
de couches influence également l’adhérence de la finition : un optimum
d’adhérence lié à l’épaisseur existe et dépend de la nature du revêtement.
L’adhérence de la finition appliquée sur un bois débité sur dosse est plus
faible que sur un bois débité sur quartier. Le traitement de préservation
14
peut diminuer l’adhérence de la finition, tout comme certains traitements de
modification (furfurylation, traitement thermique). Le pin radiata acétylé
revêtu d’une finition présente une meilleure résistance aux impacts de grêle
que les autres supports. Lors du vieillissement, le pin traité thermiquement
recouvert de peinture blanche peut provoquer des taches à la surface de la
peinture.
Le programme WoodExter a permis de développer un outil de prédiction de
durée de service du platelage et bardage, simple d’utilisation. Mais il a aussi
généré de nombreuses connaissances dans les domaines de la durabilité et
de la protection du bois. Ces connaissances ont fait l’objet d’une
cinquantaine de publications produites par les partenaires durant le projet.
Les
résultats
alimentent
également
deux
Comités
européens
de
normalisation intéressés par le projet : le CEN/TC38 (Durabilité du bois) et
le CEN/TC139/WG2 (Finitions extérieures pour bois).
15
Pour aller plus loin
Service life of wood in outdoor above ground applications, Engineering design guideline
Report TVBK 3060 (téléchargeable sur www.kstr.lth.se)
WoodExter - Service life and performance of exterior wood above ground
Final report by J Jermer, S Thelandersson, H Viitanen, T Toratti, G Grüll, A Steitz, M Truskaller,
T Bader, K Hofstetter, G Alfredsen, E Suttie, I de Windt, J Van Acker, S Bollmus, L Podgorski,
58 pages (English)
WoodExter - Work Package 3 - Interaction of wood and coatings - Effect on the
performance of wood products - Report on Natural weathering trials
December 2011, by G Grüll, M Truskaller, L Podgorski, V Georges, S Bollmus, J Jermer
173 pages (English).
WoodExter - Work Package 3 - Interaction of wood and coatings - Effect on the
performance of wood products - Report on Laboratory results
June 2010, by G Grüll, M Truskaller, L Podgorski, V Georges, S Bollmus, S Jämsä, H Viitanen,
J Jermer
173 pages (English)
Investigation of decay influencing factors for service life prediction of exposed wooden
components
Dissertation of C Brischke, University of Hamburg, 2007
16
Les partenaires du programme de recherche
SP Technical Research Institute, Suède (co-ordinateur)
LTH Université de Lund, Suède
VTT, Finlande
FCBA, France
HFA Holzforschung Austria, Autriche
TUW Université technique de Vienne, Autriche
BRE Building Research Establishment, Grande-Bretagne
Université de Gand, Belgique
Norwegian Forest and Landscape Institute, Norvège
Université de Göttingen, Allemagne
CEI-Bois initiative “Building With Wood”
Swedish Wood Preserving Association
Södra Timber AB, Suède
Bitus AB, Suède
Kebony ASA, Norvège
Association of Austrian Wood Industries, Autriche
Adler-Werk, Autriche
Synthesa Chemie GmbH, Autriche
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