Biomécanique du bois: de la stimulation mécanique d'une tige à la structure pariétale d'une cellule. by Jana Dlouhá

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1 Biomécanique du bois: de la stimulation mécanique d'une tige à la structure pariétale d'une cellule by Jana Dlouhá

2 Fonctions du bois dans l arbre Feuillage Capture de lumière Photosynthèse Fonction de conduction Ecorce Protection? Fonction de stockage; réparation; défense. Système racinaire recherche des nutriments ancrage dans le sol Fonction mécanique: Soutien passif = squelette Soutien actif = muscle

3 Analyse des fonctions mécaniques du bois de l arbre assurant son bien-être et sa survie M U S C L E soutenir le poids: poids propre compression houppier +/- symétrique flexion contrôler la posture maintenir/créer un moment fléchissant d une manière viable à long terme = (ré)orientation des axes selon le besoin résister face au vent flexion (eh oui, encore une fois) Sollicitations mécaniques: un peu de compression mais surtout beaucoup de flexion et un chargement qui varie dans le temps

4 Quelques notions de mécanique Moment fléchissant et moment d inertie l effet de la force du vent à un point donné dépend la distance/point d application de la force: M FLEX = Force Bras de levier Force maximale à la base du tronc =bras de levier maximal la force du vent crée une courbure: Courbure( C) = M FLEX Rigidite( E) Momentd' inertie( I) Bras de levier moment d inertie distribution de la masse dans la section section circulaire homogène: 4 D I = π 64 la périphérie est très importante

5 Quelques notions de mécanique Du chargement à la contrainte Calcul des contraintes: σ = M FLEX I y Traction/Compression maximale à la périphérie Loi de comportement: linéaire élastique σ = E ε Propriétés caractérisant le matériau: Performance: rigidité Sécurité: déformation à la rupture

6 Arbre soumis à un moment fléchissant Problème: faible rigidité en compression Comportement longitudinal (parallèlement aux fibres de bois) Traction rupture par défibrage Contraction +2% Elongation rupture par flambement localisé Compression Le côté comprimé = point faible - danger potentiel de rupture

7 Précontraintes pour protéger Nouvelle couche de bois est mise en tension Cellule théorique isolée maturation La même cellule adhérente aux cellules anciennes déformation de maturation maturation contrainte de croissance compression tension s LL Profile de contrainte Compression Tension écorce moelle écorce

8 Mise en tension dans le bois récemment formé pour protéger la partie vitale précontraint ε L el non précontraint rupture en traction transverse ε T el flambement longitudinal Paramètre important: niveau moyen de précontraintes

9 Les précontraintes pour créer des mouvements Fonction musculaire soutien (inter)actif croissance différentielle pression de turgescence contrôle primaire L T dissymétrie de la contraction axiale de la nouvelle couche de bois Pour générer un moment fléchissant: - dissymétrie de la quantité du bois; de la qualité du bois et des précontraintes contrôle secondaire dilatation transverse Rigidification de la lamelle moyenne (tige) contraction axiale (fibre ou trachéide)

10 La verticalité est importante Mais la vitesse de redressement a ses limites Effet d autres paramètres: excentricité de la croissance; présence du bois juvénile. X 8 Flexibilité Déformation de maturation (µdef) Y Champ de contraintes dans une tige redressée et localisation du point de rupture -6 en flexion (Δ) -8 Redressement Effet des (simulé) des précontraintes sur la résistance de la tige : Positif si elles sont faibles à modérée Négatif si elles sont trop fortes risque d un dysfonctionnement futur limite des performances à court terme

11 L ouverture de la canopée Conséquence sur l architecture de l arbre lumière ressources croissance L vent taille+poids houppier M VENT de support des voisins Il faut augmenter la résistance en flexion M WIND = F WIND H + M STEMres = π MOR D 32 Maximiser la croissance radiale La quantité est privilégiée à la qualité Ce qui permet en plus d augmenter la flexibilité du tronc au niveau du houppier 3 STEM g L Limiter la croissance en hauteur Augmenter la conicité Risque de flambement diminue la vulnérabilité au déracinement augmente à court terme on fragilise, et à long-terme? résistance aux vents forts?

12 Bois formé pour compenser une sollicitation mécanique Fonction biomécanique du bois de flexion? bois de réaction réponse directionnelle à un chargement statique hors axe gravitropique (ou vent fort répétitif?) Fréquence de chargement bois de flexion réponse à un chargement dynamique pas très étudié pour le moment, structure intermédiaire entre le bois normal et le bois de réaction la fonction musculaire est plus activée? réponse à la fréquence ou amplitude moyenne du chargement? différence par rapport au bois juvénile? effet échelle; effet ontogénique? et le bois des branches c est quoi au juste?

13 Propriétés du bois à étudier quantité et distribution de la matière autour de la circonférence en relation avec le chargement mécanique qualité du bois: + de sécurité? quelle échelle structurelle est pertinente? compromis avec d autres fonctions! paroi des vaisseaux sécurité à l implosion densité organisation de la parois AMF déformation/énergie de rupture précontraintes tx de cellulose cellulose cristallite size tx et type de lignine E arabidopsis transgénique, -54% de lignine dans la parois Koehler et al. 2006