Cecobois
Propriétés physiques

Généralités

Le bois est un matériau particulier dont ses propriétés varient en fonction de différents facteurs. Les arbres étant des êtres naturels, vivants et très diversifiés, les propriétés du bois varient selon le type d’essence, les conditions de croissance et le taux d’humidité. Le bois est considéré comme étant un matériau anisotrope, c’est-à-dire que ses propriétés varient selon les différentes directions.

L’aptitude que possède le bois à absorber l’humidité (hygroscopicité) est une caractéristique majeure qui vise ce matériau. Lorsqu’il varie, le taux d’humidité provoque des changements dimensionnels du matériau (retrait et gonflement). L’humidité est également responsable de la pourriture du bois quand elle est en présence de certaines autres conditions environnantes.


Hygroscopicité

L'utilisation des produits de bois d'ingénierie réduit le retrait total d'un bâtiment puisque leur retrait est quasi nul.

La teneur en humidité est le rapport exprimé en pourcentage de la masse de l’eau présente dans le bois sur la masse du bois anhydre (sec).

Le bois est un matériau qui contient de l’eau sous deux formes. Lorsque la teneur en humidité est maximale, il y a présence d’eau absorbée à l’intérieur des parois cellulaires ainsi que de l’eau libre contenue dans les vides à l’intérieur des cellules. Quand le bois sèche, c’est l’eau libre à l’intérieur des cavités cellulaires qui s’évapore en premier, jusqu’à l’obtention du taux d’humidité correspondant au point de saturation des fibres. Ce dernier se situe à une teneur en humidité d’environ 30 % pour la plupart des essences de bois. Au-delà de cette teneur en humidité, il ne se produit plus de changements dimensionnels (gonflement).

Teneur en humidité d’équilibre

En dessous du point de saturation des fibres, le bois perd ou absorbe de l’humidité jusqu’à ce que la teneur en humidité soit en équilibre avec celle de l’air ambiant. À cette teneur en humidité d’équilibre, le bois ni ne gagne ni ne perd d'humidité quand il est exposé à une température et à une humidité données. Le Code national du bâtiment demande que la teneur en humidité des éléments d'ossature en bois n'excède pas 19 % au moment de leur mise en œuvre. Il est important que cette teneur en humidité soit respectée afin de minimiser le retrait potentiel d’un bâtiment.

Il est important d’éliminer l’eau contenue dans les éléments de bois avant leur utilisation de façon à ce que le retrait ne se produise pas après l’installation. L’eau peut être éliminée par séchage, naturellement ou au séchoir de façon à obtenir du bois ayant une teneur en humidité la plus près possible de celle prévue en service. En Amérique du Nord, cette dernière se situe habituellement entre 8 et 12 %.

Graphique sur l'humidité du bois

Retrait

En dessous du point de saturation des fibres (TH < 30 %), l’eau contenue dans les parois des cellules s’évapore et provoque un retrait du bois proportionnellement à la perte d’humidité. Le retrait à une teneur en humidité TH (en %) peut se déterminer avec la formule suivante :

Formule de retrait

Où Sm est le pourcentage de retrait (en %) et So est le retrait total (radial, tangentiel ou volumétrique) du bois de l’état vert à l’état anhydre (en %).

Le retrait tangentiel, c’est-à-dire dans le sens des cernes de croissance, est le plus important. Le retrait radial se produit perpendiculairement au fil du bois et représente environ 60 % du retrait tangentiel. Le bois rétrécit très faiblement dans le sens longitudinal des fils (de l’ordre de 0,1 à 0,2 %).

À titre d’exemple, un bâtiment de deux étages construit en ossature de bois traditionnelle aurait un changement différentiel total de 20 mm (0,78") lorsque la teneur en humidité du bois passera de 18 % à 8 %. Ce changement tient pour acquis que le bois utilisé possède un coefficient de retrait (So) moyen de 5,8 % pour les lisses, les sablières, le revêtement de contreplaqué et les solives en bois et un retrait négligeable pour les montants de murs.

Il est à noter que l’utilisation des produits de bois d’ingénierie réduira considérablement le retrait total sur un bâtiment puisque leur retrait est quasi nul de par leur procédé de fabrication.

Le fait qu’il y ait une différence entre les retraits tangentiel et radial peut entraîner un phénomène appelé le voilement. Si le voilement est trop important, les pièces de bois ne sont pas acceptées comme éléments d’ossature. De plus, un phénomène de fendillement peut être remarqué lorsque le bois sèche trop rapidement. La surface du bois, qui sèche plus rapidement que le noyau interne, tente en effet de se rétrécir mais en est empêché par le noyau qui conserve un taux d’humidité élevé plus longtemps.

Gonflement

Le gonflement est en principe le phénomène inverse du retrait. Lorsque le bois absorbe de l’eau, sa teneur en humidité augmente et le bois a tendance à augmenter de volume. Tout comme le retrait, le gonflement est proportionnel au gain d’humidité jusqu’au point de saturation des fibres. Lorsque la teneur en humidité se trouve supérieure à ce dernier (TH ≥ 30 %), le bois subit peu ou pas de changements dimensionnels.


Transfert thermique et résistance à la chaleur

La température influence très peu la résistance du bois. Ainsi, la résistance ne varie pas sous des températures inférieures à 37°C. Par contre, elle peut augmenter légèrement sous le point de congélation.

Puisque la structure cellulaire du bois contient une grande quantité de cavités remplies d’air, elle permet au bois d’être un excellent isolant thermique. Cette conductivité thermique varie en fonction de la densité du bois, de sa teneur en humidité et des caractéristiques naturelles comme les nœuds.

La résistance thermique du bois est d’environ 0,3 RSI pour 25 mm (1,5 R/pouce).

Résistance thermique de matériaux en bois
Matériau  Épaisseur Résistance thermique
mm po RSI (M2•°C/W) R (Pi2•h•°F/btu)
Bois de résineux (sauf le cèdre) 89 3,5 0,77 4,45
Bois d’œuvre de cèdre 89 3,5 0,82 4,63
Contreplaqué et OSB 9,5 3/8 0,08 0,5
Parement en bois de résineux,
clin de 12 x 184 mm
12 1/2 0,14 0,8
Parement en bois de résineux,
clin de 19 x 235 mm
19 3/4 0,18 1
Bardeaux de bois typ. typ. 0,17 0,1
Revêtements de sol, érable ou chêne 19 3/4 0,12 0,6
Revêtements de sol, pin ou sapin 19 3/4 0,17 1
Revêtements de sol, contreplaqué ou OSB 16 5/8 0,14 0,8

Source : Technologie de la construction en bois, Conseil canadien du bois.

La résistance thermique du bois est plus grande que plusieurs autres matériaux. Le bois résiste à la déperdition de la chaleur 500 fois plus que l'acier et 7 fois plus que le béton. Il faut donc moins d'énergie pour chauffer et refroidir les immeubles avec charpente de bois. (1)

Résistance thermique de différents matériaux de 100 mm d’épaisseur (4 pouces) en RSI
Matériau Épaisseur Résistance thermique
mm po RSI (M2•°C/W) R (Pi2•h•°F/btu)
Acier 100 4 0,002 0,01
Béton 1 760 kg/m3 (110lb/pi2) 100 4 0,13 0,7
Bois de résineux 100 4 0,87 5

Graphique: Résistance thermique de différents matériaux de 100 mm d’épaisseur (4 pouces) en RSI
Source : Technologie de la construction en bois, Conseil canadien du bois.

De plus, l’inertie thermique du bois, soit la quantité de chaleur emmagasinée dans les matériaux de la construction et permettant une certaine régulation de la température intérieure malgré les écarts de la température extérieure, est 3 fois plus grande que celle du béton (0,57 à 0,65 kcal/kg pour le bois, 0,21 kcal/kg pour le béton, à 20 °C)2.

Le bois d’œuvre résiste également bien aux conditions thermiques extrêmes, et il brûle lentement. La combustion du bois génère à la surface du bois une couche de carbone isolant le bois non brûlé de la chaleur dégagée par les flammes. Ce phénomène réduit de beaucoup la vitesse de carbonisation. Cette dernière est relativement constante au cours d’un feu et se situe à environ 0,6 mm par minute. Après près de 45 minutes de combustion, une pièce de bois aura brûlé jusqu’à une profondeur approximative de 27 mm (~1"). L’intérieur d’une pièce de bois est alors peu touché thermiquement lorsque les faces externes se consument. La partie non brûlée ne perd uniquement que de 10 % à 15 % de sa résistance totale sous l’effet des très hautes températures dues au feu.


Densité relative

Dans le cas du bois, c'est le rapport entre le poids complètement sec d'un échantillon et le poids du volume d'eau égal au volume de l'échantillon soit à l'état vert (densité basale), soit séché à l'air ambiant (densité nominale) ou complètement sec (densité anhydre). Le bois est un matériau hygroscopique qui peut changer de poids et de volume en fonction des pertes et des gains d'humidité. Il est donc important de préciser la teneur en humidité de l'éprouvette au moment de la mesure de la masse et du volume. Par exemple, on calcule la densité basale à partir de la masse anhydride par rapport au volume à l'état « vert » de l'échantillon.

Les propriétés de résistance du bois sont habituellement proportionnelles à la densité relative. La norme CSA O86 indique au tableau A10.1 certaines densités de bois en fonction de leur essence et de leur classement (visuel ou MSR). Le tableau suivant illustre ces valeurs de densité :

Densité moyenne selon la classe de bois
Bois classé visuellement Bois lamellé-collé Bois (MSR) de classe E-P-S Densité moyenne après séchage au four
    13 800 à 16 500 MPa 0,50
Douglas-mélèze Douglas-mélèze, pruche-Sapin   0,49
    12 400 à 13 100 MPa 0,47
Pruche-sapin Pruche-sapin   0,46
  Épinette-pin   0,44
Épinette-pin-sapin   8 300 à 11 700 MPa 0,42
Essences nordiques     0,33