Hygromechanical behavior of wood in cultural heritage : about the panel paintings curvature

Avant la généralisation des toiles vers le XVI-XVII ème siècle, le bois a servi de support à d’innombrables peintures qui constituent aujourd’hui une part importante, dans les musées et les églises notamment, de notre patrimoine culturel. Après plusieurs siècles d’existence, les planches servant de support aux panneaux peints sont très souvent courbées : cette courbure est généralement imputée à la présence unilatérale de la couche picturale,imposant des échanges asymétriques d’humidité entre le bois, matériau hygroscopique, et son environnement de conservation. Par ailleurs il existe dans ces déformations une forte contribution de l’orthotropie cylindrique du bois qui est une conséquence de la croissance des arbres. Enfin, l’historique des variations hygrométriques à proximité d’un panneau peint renvoie à l’étude plus générale du comportement thermo-hygro-mécanique différé du bois.Une compréhension d’ensemble de ces phénomènes doit permettre d’orienter des décisions difficiles de conservation, notamment celles relatives au déplacement des œuvres ou à la maîtrise des environnements dans les musées. Nous proposons dans ce travail une approche générale de mécanique du matériau et des structures bois appliquée aux panneaux peints. La méthode utilisée intègre des moyens expérimentaux en laboratoire et sur des œuvres in-situ, des méthodes numériques, et l’accent est mis sur le lien fort existant entre les aspects « comportement » propres au bois (anisotropie, couplages hygromécaniques, etc.) et les aspects de structure relatifs aux panneaux peints (débit des planches, efforts extérieurs dus à leur assemblage, etc.). Un outil de calcul basé sur la modélisation mécanique des plaques orthotropes est développé. Il prend appui sur un code préexistant de transfert de masse et de chaleur décrivant les mouvements d’eau dans le support. Ce code de calcul complet est utilisé notamment sur un cas d’étude : un panneau peint de 500 ans environ, en situation d’exposition dans une église.Until canvas became the most popular support medium in the 16th century, wood was used in numerous paintings which represent today a significant part of our cultural heritage,particularly in museums and churches. A few centuries later, wooden panel paintings exhibit cupping deformations: this cupping is generally interpreted as the consequence of asymmetrical moisture exchanges through panel thickness due to the painted layer. It is also known that wood growth rings and orthotropic orientation are possible causes ofdeformations due to drying. History of the climatic variations near the panel raises thecomplex question of time-dependant (thermo-hygro-mechanical) behavior of wood. Betterunderstanding of such behavior could help wood scientists and curators in taking decisions relating to panel transport or museum climate regulations. We suggest a general mechanical approach of this problem, dealing with both material (wood) and structure (panel) point ofview. The method includes experimental, theoretical and numerical aspects. Particular attention is put on interaction between wood material (anisotropy, hygromechanicalcouplings) and the structural level (sawing pattern of panel, joints between planks). Anumerical calculation tool is developed, based on orthotropic plate theory and existing heatand mass transfer formulation: numerical simulations are performed to discuss theconservation of a 500 years old wooden panel located in a French church