Tout comme le bois de dimension utilisé pour construire nos maisons, les produits d’ingénierie structuraux comme le bois lamellé-collé et le bois lamellé-croisé sont traditionnellement fabriqués à partir d’espèces résineuses comme le sapin, le pin et l’épinette. Toutefois, bien que n’étant pas traditionnellement utilisé en construction, le bois des espèces feuillues constitue une matière première des plus prometteuses. Ces bois à la densité élevée sont plus rigides et résistants, offrant au passage la possibilité de créer une nouvelle génération de produits dont l’apparence se distingue de celle des produits offerts actuellement.
Les avantages de recourir à de nouvelles espèces pour la fabrication de ces produits ne s’arrêtent pas là. En effet, certaines espèces feuillues sont fortement disponibles dans nos forêts et il n’existe pour celles-ci qu’un nombre limité de débouchés à forte valeur ajoutée. D’un point de vue économique, la transformation de la matière première en produits d’ingénierie avancés permet de créer de la valeur, d’autant plus si la transformation est réalisée localement. D’un point de vue écologique, utiliser le bois de ces espèces dans des usages à très longue durée de vie, comme dans la construction, présente des avantages importants. En effet, le carbone contenu dans l’arbre, séquestré grâce à la photosynthèse pendant sa croissance, y sera immobilisé pour une très longue période, agissant pendant ce temps comme un tampon permettant d’atténuer le réchauffement climatique.
Schéma simplifié des étapes de fabrication du bois lamellé-collé. 1- Classement et sélection de la matière première, 2- aboutage des lamelles, 3- assemblage de la poutre.
Cette réflexion a mené à la mise sur pied d’un projet de recherche ayant pour objectif d’évaluer la faisabilité technique d’un bois lamellé-collé fabriqué à partir du bois d’espèces feuillues disponibles au Québec. Réalisé au sein de la Chaire industrielle de recherche sur la construction écoresponsable en bois (CIRCERB) de l’Université Laval, à Québec, ce projet impliquait également Art Massif, une entreprise établie à Saint-Jean-Port-Joli qui conçoit des structures distinctives en bois lamellé-collé.
Gros plan sur un joint à entures multiples.
Méthodologie et résultats
L’utilisation d’une nouvelle matière première pour la fabrication de bois lamellé-collé représente tout un défi. Les propriétés mécaniques et la structure anatomique du matériau bois sont extrêmement variables, particulièrement dans le cas des espèces feuillues. Cette variabilité a un impact à toutes les étapes de fabrication du produit.
La première phase du projet avait pour objectif de sélectionner des espèces d’intérêt, selon des critères liés à leurs propriétés mécaniques, leur apparence et leur disponibilité. Première espèce retenue, le bouleau jaune, bien connu sous le nom de merisier, est l’arbre emblème du Québec. Bien que son bois soit déjà recherché pour la fabrication de planchers, de meubles et d’armoires de cuisine, nous ne l’utilisons pas en construction malgré sa résistance impressionnante. Le bois du frêne d’Amérique possède une apparence distinctive et une grande flexibilité. L’arrivée d’un insecte exotique, l’agrile du frêne, menace toutefois sa survie et une grande quantité de bois est disponible en raison de l’abattage préventif de certains arbres. Quant au chêne blanc, bien qu’il s’agisse d’une espèce assez rare au Québec, son bois est fortement recherché et fait l’objet d’importations massives.
Les étapes suivantes du projet s’attardaient aux facteurs qui influencent la résistance d’un élément structural en bois lamellé-collé. Ceux-ci comprennent bien entendu les propriétés mécaniques du bois utilisé, mais aussi la résistance des joints créés lors de l’aboutage des lamelles. En effet, pour atteindre la portée visée, plusieurs pièces de bois doivent être assemblées en longueur grâce à des joints à entures multiples pour former des lamelles continues. Ces lamelles seront par la suite empilées et assemblées grâce à un adhésif structural pour atteindre la dimension finale de la poutre. Il est donc essentiel de s’assurer de l’intégrité de la section transversale, garante de la solidité et de la sécurité du bâtiment.
Le défi posé par l’évaluation des propriétés mécaniques des espèces étudiées était considérable. Comme le bois des espèces feuillues n’est pas utilisé pour la construction, il n’existait pas de méthode permettant son classement et la prédiction de sa résistance comme c’est le cas pour les espèces résineuses. Afin de développer une méthode applicable aux espèces utilisées, un grand nombre d’échantillons a été soumis à des essais destructifs pour en mesurer la résistance. Auparavant, ces pièces de bois avaient été examinées en détail et les défauts, comme les nœuds ainsi que les déviations dans l’angle du fil du bois, avaient été soigneusement consignés. On y avait mesuré également, à l’aide d’un appareil spécialisé, la vitesse de propagation d’une onde acoustique, fortement liée à la rigidité du bois. Ces données ont permis la création de modèles mathématiques pour chacune des espèces, mettant en relation les caractéristiques mesurées et la résistance atteinte lors des essais mécaniques. Pour les étapes subséquentes, il était ainsi possible de prédire la résistance des lamelles sans les endommager ! Ces précieuses informations ont été utilisées pour déterminer l’emplacement de chaque pièce de bois dans la poutre. En effet, les forces subies à l’intérieur d’une poutre soumise à une charge ne sont pas uniformes et il importe d’utiliser les pièces de bois les plus résistantes aux endroits soumis aux plus fortes contraintes.
Poutre en bouleau jaune soumise à un essai de résistance en flexion.
L’intégrité du produit fini repose, quant à elle, sur l’efficacité des adhésifs utilisés. Afin d’obtenir un assemblage résistant, l’adhésif doit être en mesure de bien pénétrer dans le bois avant de durcir, offrant ainsi un bon ancrage mécanique. La structure anatomique du matériau bois varie fortement en fonction de l’espèce et des conditions de croissance. La structure anatomique des espèces feuillues est plus complexe que celle des espèces résineuses, et leur densité est généralement plus élevée. La diversité des types de cellules composant le bois des feuillus génère des défis, car la pénétration de l’adhésif n’y est pas uniforme. De plus, la densité plus élevée du bois peut aussi limiter la résistance des collages. En effet, une densité importante signifie qu’il y a moins d’espaces vides où l’adhésif peut s’écouler. Grâce à une série d’essais mécaniques et aux informations obtenues par imagerie à rayons X, cette étape du projet a permis de sélectionner l’adhésif qui offrait les performances recherchées.
A- Pénétration de l’adhésif et structure anatomique du bois de frêne d’Amérique. B- Pénétration de l’adhésif et structure anatomique du bois de bouleau jaune.
C- Pénétration de l’adhésif et structure anatomique du bois d’épinette noire.
Les joints à entures multiples permettent de confectionner des lamelles d’une longueur dépassant de beaucoup celle des pièces de bois utilisées, pouvant même dépasser la hauteur des arbres desquelles elles ont été obtenues. La forme particulière de ces joints a pour fonction d’augmenter la surface de contact sur laquelle l’adhésif sera appliqué et qui unira deux lamelles adjacentes. Les paramètres géométriques de ces joints (comme la pente des entures, le nombre de doigts et leur longueur) influencent fortement la résistance du joint obtenu. Dans le cadre de cette phase du projet, différentes configurations de joint ont été testées afin d’identifier celle qui était la plus appropriée aux espèces feuillues utilisées. Il s’agit d’ailleurs d’une configuration différente de celle utilisée avec les produits composés d’espèces résineuses !
Les résultats des étapes précédentes ont permis de déterminer les paramètres optimaux pour la fabrication de poutres en bois lamellé-collé à partir des espèces étudiées. Afin de mesurer la performance du produit fini, des poutres pleine grandeur ont été fabriquées et soumises à des essais de résistance. Ces essais ont confirmé la faisabilité du produit. En effet, les poutres fabriquées ont atteint une résistance qui se compare avantageusement aux produits composés de bois résineux les plus résistants disponibles actuellement. En effet, les valeurs mesurées de résistance en flexion, ou module de rupture, se situaient entre 39,7 et 47,0 MPa. Les produits développés présentaient, d’autre part, un atout majeur conféré par leur rigidité impressionnante, de loin supérieure à celle des produits existants. Cette rigidité, exprimée par le biais du module d’élasticité, est une propriété déterminante pour la conception de structures. Dans le cas des poutres fabriquées de bouleau jaune, le module d’élasticité dépassait les 16 000 MPa, alors que celui d’une poutre de dimension comparable composée du bois d’une espèce résineuse de la classe de résistance la plus élevée se situerait à environ 13 400 MPa.
Dans le cadre de ce projet, l’objectif de concevoir un produit à l’apparence noble impliquait l’utilisation de bois de qualité, présentant peu de défauts. Les nouvelles possibilités offertes par les espèces feuillues vont toutefois bien au-delà de cette approche. En effet, là où l’apparence est moins cruciale, du bois de qualité inférieure pourrait être utilisé. Bien qu’une diminution de la qualité soit susceptible d’entraîner une réduction de la rigidité du produit, la marge de manœuvre est considérable. Il est raisonnable de penser que la performance de ces produits demeurerait équivalente à celle des produits composés d’espèces résineuses. Dans une telle situation, les bénéfices économiques et environnementaux en seraient encore augmentés, puisqu’on parviendrait à valoriser une matière première moins recherchée dans un produit à forte valeur ajoutée et à longue durée de vie ! Par une diversification des produits disponibles, de leur apparence et de leurs propriétés mécaniques, l’avenir du matériau bois dans la construction est rayonnant. Cette diversité permettra d’utiliser encore davantage de bois en substitution d’autres matériaux à l’empreinte écologique plus importante, tout en offrant un environnement plus chaleureux et inspirant aux occupants de ces bâtiments en harmonie avec la nature.
La première phase du projet avait pour objectif de sélectionner des espèces d’intérêt. Première espèce retenue, le bouleau jaune, l’arbre emblème du Québec. – Photo : Nicholas A. Tonelli. 
