Experimental and numerical study of the hygromechanical behaviour of a wooden panel.
Étude expérimentale et numérique du comportement hygromécanique d’un panneau de bois.
Résumé
Conservation or restoration of many ancient wooden artefacts such as panel paintings is made
difficult. In addition by issues linked to wood ageing, but also by the delicate situations
originaling from asymmetrical moisture transfer phenomena through surface layer and wooden
substrate. Conservators have tried to eradicate panels curvatures by moistening and flattening
by pressure ; or simply in term of restoration act, by panel thinning followed by gluing on a
rigid support. Between fortunate handling and absence of environmental control, some paint
layers flaked material was partially lost, cracks opened. Indeed, the artefacts from cultural
heritage that we handle are the witness of ancient times and practices, and may provide keys
to the understanding of long-term behaviour of wooden structures.
First, we have focused on the basic understanding of wood aging, we have made hygro-thermal
treatment at 120°C for several humidities and at 50°C by hydric cycles on poplar samples
(Populus alba). We underlined physical and chemical process and the reversible effect of heattreated
wood. Then we studied the behaviour of a painted panel part, and the relation between
wood and preparatory layer. Our work shows clearly that the hygromechanical behaviour of
the preparatory layer is very dependent on its composition, and that it is important to know
precisely the layer composition before being able to analyse the global behavior of a panel
painting. Finally, our work concerned experimental and numerical study of hygromechanical
behaviour of a wooden panel, based on continuous mass weighting and measurement of strain
by stereo-correlation during hygrothermal fluctuations of the environment. We decoupled experimentally
the different components occurring in hygromechanics of panel painting, and we
worked to set up a numerical tool allowing the simulation of observed phenomena. This thesis
presents, on a fundamental point of view, the wooden panel behavior under climatic fluctuations,
linking with cultural conservator actors (such as curators, conservators, scientists from
cultural heritage . . .) in order to develop tools to decision help.
De nombreux objets en bois ancien posent des difficultés de conservation et de restauration.
En plus des problèmes liés au vieillissement naturel du bois, la conservation et la restauration
des panneaux peints sont des exercices délicats de mise en œuvre, à cause des phénomènes
complexes d’échanges hydriques asymétriques entre la couche picturale et le revers du tableau.
Les restaurateurs du patrimoine ont cherché à éliminer la courbure du panneau par
humidification et pression progressive afin de renforcer et aplanir le panneau ; ou simplement,
en termes d’acte de restauration, par amincissement par l’arrière du support du tableau puis
collage sur un support rigide. Entre manipulations malheureuses et stockage dans des conditions
non contrôlées, cela a eu pour conséquence l’écaillage et la perte partielle de la couche
picturale de certains d’entre eux, sans oublier l’initiation de fissures. Ainsi, les objets du patrimoine
que nous manipulons sont des témoins précieux à la fois d’un art, d’une époque et
d’un comportement à long terme du matériau considéré.
Nous nous sommes intéressée, dans un premier temps, à la compréhension plus fondamentale
du vieillissement du bois. Pour cela nous avons traité hygro-thermiquement à 120°C à différentes
humidités et à 50°par cycles d’humidité des échantillons de peuplier (Populus alba).
Nous avons pu mettre en avant les processus physico-chimiques et également le phénomène de
réversibilité des traitements hygro-thermiques. Puis nous avons étudié le comportement d’une
partie d’un panneau peint, afin d’étudier relation bois - couche préparatoire. Nos résultats
montrent que les couches préparatoires ont un comportement hygromécanique bien différent
les unes des autres, et qu’il est important de connaître la composition fine de ces couches avant
de pouvoir analyser le comportement global du panneau peint. Enfin, nos travaux ont concerné
l’étude expérimentale, basée sur des mesures de masse en continu et des mesures de champ de
déformation par stéréo-corrélation, et la simulation du comportement hygromécanique d’un
panneau de bois soumis à des fluctuations hygrothermiques. Nous avons pu découpler d’un
point de vue expérimental les différents composants intervenant dans l’hygromécanique du
panneau peint, et nous avons œuvré pour la mise en place d’un outil de simulation numérique
pouvant rendre compte des phénomènes observés. Ce travail de thèse présente donc d’un point
de vue fondamental le comportement d’un panneau de bois soumis à des variations d’humidité,
en lien avec les acteurs de la préservation du patrimoine (conservateurs, restaurateurs, scientifiques
spécialisés dans ce domaine...) dans le but de développer des outils d’aide à la décision.