Flexion dynamique par la méthode vibratoire BING

Les industriels des panneaux contreplaqués et LVL sont directement confrontés aux problèmes du contrôle de la qualité. Les technologies de contrôle non destructif sont une des réponses à cette problématique. Elles contribuent à une meilleure maîtrise de la caractérisation et de la commercialisation des produits à base de bois. Afin d’apprécier la qualité de la prédiction du module d’élasticité nous avons testé dans un premier temps les éprouvettes de flexion par la méthode vibratoire BING ; Il s’agit d’un dispositif entièrement automatisé conçu par le CIRAD- Forêt suite aux travaux de Bordonné (1989).

La méthode permet d’obtenir les modules d’élasticité en flexion et en compression, elle peut aussi constituer un moyen pour détecter les anomalies dans la pièce testée comme les défauts

Sens du fil

l: 200 mm, a: 25 mm, b: 3 mm, c: 25 mm, d: 8 mm, e: 21 mm, L: 400 mm, P: pli central

l

Eprouvette de cisaillement

Panneau LVL

Eprouvette de flexion

Eprouvette de cisaillement

P e

e L

Eprouvette de flexion

a b c d

e e

de collage. Elle présente aussi l’avantage de la rapidité d’exécution. Elle repose sur la mesure, puis l’interprétation des fréquences propres issues des vibrations naturelles d’une pièce de bois soumise à une sollicitation impulsionelle. Cette sollicitation est appliquée soit en flexion, c.à.d. perpendiculaire à l’axe de l’éprouvette, soit en compression par une percussion dans le sens longitudinal.

L’interprétation du spectre des fréquences propres est basée sur le fait que le rapport du module d'élasticité à la masse volumique (module spécifique) d’un matériau est proportionnel à la vitesse de propagation du signal dans ce matériau. Cette interprétation se fait selon les modèles développés par Bernoulli et/ou Timoshenko. Ces deux modèles proposent chacun une équation du mouvement permettant le calcul du module d’élasticité.

Timoshenko propose une équation du mouvement qui prend en compte le moment fléchissant, l’effort tranchant, le cisaillement et l’inertie de rotation. Le modèle de Bernoulli ne prend pas en compte ni le cisaillement, ni l’inertie de rotation. C’est une simplification du modèle de Timoshenko où l’on considère l’énergie de déformation due au cisaillement négligeable devant celle due à la flexion.

Le dispositif est composé de (figure II.35) :

(1). Deux supports élastiques assurant le maintien en équilibre de l’éprouvette ; (2). Une balance ;

(3). Un pied à coulisse ; (4). Un microphone ;

(5). Un boitier renfermant une carte d’acquisition (Pico Technology) ; (6). Un micro ordinateur ;

(7). Un barreau de percussion ; (8). Le logiciel BING.

Figure II. 35 - Dispositif utilisé.

La manipulation du BING peut être découpée en 3 étapes distinctes mais indissociables. Elle commence par une initialisation générale de l’appareillage et de l’échantillon suivi de l’acquisition et l’analyse du signal numérisé et se termine par le traitement mathématique et mécanique du signal.

Après paramétrage du boitier d’acquisition, l’éprouvette testée est d’abord pesée puis mesurée en longueur, largeur et en hauteur. L’éprouvette est ensuite positionnée sur les deux appuis élastiques en respectant l’orientation choisie de la sollicitation et de façon à ce que les appuis se situent à une distance de ¼ de longueur totale de l’éprouvette par rapport à chaque extrémité.

Après cela le microphone est placé dans le plan de vibration à 1 ou 2 cm de l’éprouvette, perpendiculairement à l’axe de celle ci pour une sollicitation en flexion ou dans l’alignement de l’éprouvette pour une sollicitation en compression. Sur l’extrémité libre de l’éprouvette on applique une percussion en veillant à ce que les vibrations soient le plus libre possible. L’onde sonore émise par l’extrémité de l’éprouvette est transformée en signal électrique par le microphone. Ce signal est ensuite amplifié et filtré par l’intermédiaire de la carte d’acquisition jouant le rôle d'un convertisseur analogique-numérique et qui fournit au micro-ordinateur le signal numérisé.

Après numérisation du signal, ce dernier est enregistré et transféré vers une mémoire utilisateur du micro-ordinateur. La composition spectrale de l’enregistrement est donnée par transformée de Fourrier rapide, la largeur spectrale dépend des paramètres d’acquisition fixés (nombre de point et durée d’acquisition). Les fréquences propres à prendre en compte sont définies par l’opérateur à travers l’interface graphique du logiciel (figure II.37).

7

1

2 3

6 5

4

Le traitement mathématique des fréquences sélectionnées est effectué logiciellement à partir des caractéristiques géométriques et de la masse de l'échantillon. Ce traitement permet de déterminer les modules d’élasticité par les modèles de Bernoulli et Timoshenko.

Figure II.36 - Logigramme du principe de fonctionnement du BING.

Echantillon testé (à géométrie et masse connues) Percussion

Vibrations naturelles

Capteur (microphone) Signal analogique

Carte d’acquisition Signal numérisé

Micro-ordinateur Procédure FFT

Spectre

Recherche des fréquences propres

Identification des modes de vibrations

Calcul du module d’élasticité selon Bernoulli ou Timoshenko

Traitement du signal et calcul du Module Enregistrement et numérisation du signal

Figure II.37- Vue d’ensemble de l’interface graphique du BING.

C’est ainsi que les modules d’élasticité dynamiques des 3480 éprouvettes (12 éprouvettes par panneau) ont été obtenus à travers des percussions en flexion perpendiculaires aux joints de colle dans le cas des panneaux contreplaqué et parallèles aux joints de colle dans le cas des panneaux LVL. Ce choix est dû au fait que les LVL sont généralement mis en œuvre pour être sollicité sur chant (poutre) à l’inverse des contreplaqués qui sont souvent utilisés en revêtement et donc sollicités à plat. Le modèle de calcul retenu été celui de Timoshenko.