caractérisation sandwich en flexion
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Caractérisation Sandwich en FlexionTRANSCRIPT
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Comptes Rendus des JNC 17 - Poitiers 2011
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Caractrisation mcanique dun panneau sandwich me en lige et peaux jute/poxy
A. MIR1, B. BEZZAZI1, R. ZITOUNE2, F. COLLOMBET2
1: Universit Mhamed Bougara, 1 Ave de lindpendance Boumerdes 35000 Algrie, 2 : Institut Clment Ader Universit de Toulouse; 133, Ave de Rangueil, F-31077 Toulouse, France.
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Rsum :
Les matriaux eux-mmes nous affectent peu, cest la faon dont nous les utilisons qui
influence notre vie. En effet, le dveloppement et les changements rapides des produits, des
pratiques technologiques et industrielles sont accompagns par de nouvelles gnrations de
matriaux. Parmi ces matriaux, les composites ne cessent dvoluer vers des produits qui
sont, soit le moins coteux possible, soit le plus performant ou bien les deux la fois. De plus,
dans un souci de protection de lenvironnement et de sant publique, les composites tendent
intgrer un caractre cologique. Notre tude porte sur la conception et la caractrisation dun
nouveau matriau composite de type sandwich base de jute/poxy comme peaux et de lige
agglomr comme me. Ce matriau composite est destin tre utilis dans les domaines de
la construction et du transport.
Mots cls : jute, poxy, lige, sandwich.
1. Introduction Dans un souci de protection de lenvironnement et de sant publique, les composites
tendent intgrer un caractre cologique. Dans ce cadre nous caractrisons mcaniquement
un nouveau matriau composite de type sandwich me en lige et peaux en jute/poxy. Le
choix du jute est justifi pour ses caractristiques de rsistance la traction et ses proprits
en flexion [1]. Les essais de traction du tissu jute montrent linfluence de la temprature sur le
jute. Nous choisissons une rsine poxy pouvant se polymriser basse temprature pour ne
pas affecter les caractristiques mcaniques du jute [2]. La transformation industrielle du lige
couvre un domaine assez vaste allant des bouchons jusquaux isolements thermiques et
acoustiques pour vhicules spatiaux ou autres objets design en passant par le btiment [3, 4].
Le lige agglomr est obtenu partir de granuls de lige comprims dans un autoclave et
traverss par un coulement de vapeur deau 350C qui lance lagglomration des granuls
[5,6]. Plusieurs tudes scientifiques sont faites, elles portent en grande partie sur le lige
agglomr noir produit du Portugal. Les travaux de Gil ont trait linfluence de la densit sur
les proprits acoustiques des panneaux de lige agglomr noir [7, 8, 9], nous utilisons deux
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types de lige agglomr C190 et le C270. Llaboration du sandwich se fait par la mthode
dite par infusion en one shoot . Cette mthode ne peut empcher la pntration de la rsine
lintrieur de lme du sandwich (lige), nous avons donc des mes C190(R) et C270(R). La
mthode infusion est pratique et peu onreuse, elle permet de manufacturer des plaques de
grandes dimensions pouvant tre utilises dans le domaine du btiment et du transport.
2. Procdure exprimentale Le sandwich me en lige et peaux en jute/poxy obtenu par la mthode dite infusion
en one shoot est caractris en flexion trois et quatre points et en cisaillement.
Les essais de flexion 3 et 4 points sont effectus sur une machine universelle de type
Instron 8561 quipe dun capteur de 10 kN. La vitesse davance est de 2 mm/mn.
Lacquisition des donnes est ralise laide dun logiciel qui enregistre le dplacement en
fonction de la force. La figure 1 reprsente les essais de flexion 3 et 4 points.
Figure 1 : Essais de flexion : (a) flexion trois points, (b) flexion 4 points.
Les contraintes normales 3 et 4 respectivement en flexion 3 et 4 points sont exprimes en N/mm. Ces contraintes sont appeles aussi rsistance en traction ou en compression des
semelles suivant la norme NF T 54-606 (cf. figure 2), elles sont reprsentes par les quations
suivantes (1) et (2) :
(1)
(2)
b)eah(es2dP 11
3 +=
(a) (b)
b)eah(es4dP 22
4 +=
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3
=
1)1116(4
1)118(
1322
2311
1
22
21
11
wdPwdPw
dddP
N
Avec :
: Contrainte (MPa); P1 : Effort maxi (N); P2 : Effort maxi (N); d1 : Distance entre appuis (mm); d2 : distance entre appuis (mm); es : Epaisseurs des semelles (mm); ea : Epaisseur de lme (mm); h : Hauteur totale (mm); b : Largeur (mm).
2.1 Module de rigidit en flexion du sandwich D
La norme NF T 54-606 permet, partir de rsultats obtenus dessais mcaniques flexion
trois et quatre points sur des sandwichs, de dfinir le module de rigidit en flexion D, le
module de cisaillement en flexion N et le module de cisaillement de lme Ga.
Lquation (3) donne la valeur du module de rigidit en flexion D (Nmm).
(3)
Lquation (4) dfinit le module de cisaillement en flexion N exprim en Newtons.
(4)
2.2 Module de cisaillement de lme du sandwich Ga
Le module de cisaillement de lme du sandwich est obtenu par lquation (5) ou (6). Ce
module permet de dfinir le comportement en cisaillement du lige avec prsence de rsine
introduite lors de llaboration en infusion par le procd one shoot .
(5)
(6)
Figure 2 : Reprsentation dun sandwich (deux peaux et une me).
=
)2(148
)811(1
122
2111
22
21
11
wdPwdPw
dddP
D
+
=
1)1116()(
1)118(
1322
23112
1
22
21
11
wdPwdPehbw
ddedP
G
a
a
a
beheNG
a
aa 2)(
4+=
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4
AadG tan=
Les chantillons tests de lige agglomr sont dcoups laide dune scie mtallique. Ils
ont pour dimensions : 250 x 50 x 30 mm. Les plaques de lige sont fixes sur deux supports
mtalliques indformables. La figure 3 montre le montage que nous avons ralis pour
effectuer les essais de cisaillement.
Les essais de cisaillement sont effectus sur une machine de traction de type Instron 8561
quipe dun capteur de force de 5 kN. Lchantillon est fix aux mors mcaniques de la
machine grce aux deux supports mtalliques indformables. La vitesse de dplacement du
mors mobile est de 2mm/min. Durant le chargement nous enregistrons le dplacement et la
charge applique. Plusieurs prouvettes de liges agglomrs de type C270, C270(R), C190 et
C190(R) sont testes (cf. figure 4).
Le module de cisaillement est calcul dans deux plans orthogonaux de la plaque de lige
agglomr. La formule 7 est utilise pour le calcul des modules de cisaillement Gxy et Gxz.
(7)
Avec :
G : module de cisaillement (MPa); d : largeur (mm) de la plaque ; A : longueur L x largeur b (mm); tan a : F/ e (diffrence de force sur diffrence de dplacement dans la zone lastique).
L : 250mm
h : 30Largeur d : 50mm
Figure 3 : Plaque de lige fixe sur deux supports mtalliques indformables.
Ame (C270) MorsPeaux :
jute/poxy
Figure 4 : Montage dessai de cisaillementdu SC270 sur machine de traction.
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2.3 Calcul du module de cisaillement du lige avec rsine par la mthode NF EN12090
En plus de la mthode de calcul du module de cisaillement du lige avec rsine suivant la
mthode NF T 54-606 que nous venons de voir ci-dessus, Le calcul du module de cisaillement
du lige avec rsine peut tre calcul par la norme NF EN12090. Cette mthode consiste
fixer le sandwich sur un montage spcifique (cf. figure 4) pour effectuer des essais de
cisaillement et calculer le module de cisaillement du lige avec rsine.
3. Analyse et discussion 3.1 Analyse et comparaison entre modules de cisaillement du lige obtenus par
diffrentes mthodes de calcul
Les essais de cisaillement raliss sur les liges C190, C190(R) et C270, C270(R) suivant
la norme NF EN12090 1997/1 montrent une variabilit de la valeur du module de cisaillement
du lige. On note une augmentation du module de cisaillement en faveur des liges contenant
de la rsine introduite lors de llaboration des panneaux sandwichs. La prsence de rsine
dans le lige (cf. figure 4) occupe lespace vide entre les granuls composant le lige
agglomr, plus lespace vide est important plus il y a de prsence de rsine comme cest le
cas pour le C190, ce qui le rend plus dure et plus fragile, on note une augmentation du module
de cisaillement de 44 %. Le mme phnomne est enregistr dans le cas du lige C270, ce
type de lige prsente moins despace vide entre granuls (granuls de petites dimensions 1
2 mm), on note une prsence moins importante de rsine suite au mode dlaboration. Le
module de cisaillement du lige C270(R) augmente de 10 % par rapport au C270, cette
augmentation du module de cisaillement par rapport au C190 peut sexplique par la faible
prsence de rsine. Le tableau 1 donne les valeurs du module de cisaillement des diffrents
types de lige.
Norme G (Mpa) C190
G (Mpa) C270
G(Mpa) C190(R)
G (Mpa) C270(R)
Ga (Mpa) SC190
Ga (Mpa) SC270)
NF EN 12090 1.54 2.75 2.75 3.08 - -
NF T 54-606 - - - - 2.61 4.01
Tableau 1 : Valeurs obtenues par deux mthodes de calcul diffrentes des modules de cisaillement des liges C190, C270 et de lme des sandwichs SC190 et SC270.
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Les rsultats du module de cisaillement du lige obtenus partir des essais de cisaillement
du lige par la norme NF EN12090 1997/1, et ceux obtenus par cisaillement de sandwich
me en lige suivant la norme NF T54-606 montrent une concordance.
3.2 Analyse du mode de rupture en flexion quatre points
La rupture enregistre en flexion quatre points sur les sandwichs SC190 et SC270 est
totale (condition importante pour le calcul du module de cisaillement) voir figure 5.
Figure 5 : Essais de flexion quatre points (a) : avant rupture, (b) : aprs rupture.
En observons de plus prs cette rupture totale suivant leffort exerc sur lchantillon, on
note une fissure juste en dessous de la semelle suprieure qui se propage sous celle-ci (cf.
figure 6). Ce mode de rupture de type rupture de linterface me/peau est totalement diffrent
de celui obtenu en flexion trois points.
Figure 6 : Rupture de linterface me/peau en flexion quatre points.
Fissure
Semelle suprieure
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La figure 7-a montre cette fissure qui se propage sous la semelle sur plusieurs millimtres
suivant la longueur de lchantillon. Cette fissure traverse aussi lchantillon suivant sa
largeur (cf. figure 7-b).
Figure 7 : Dlaminage peau/me, (a) : propagation de la fissure suivant la longueur de
lchantillon, (b) : propagation de la fissure sur toute la largeur de lchantillon.
4 Conclusion Bas sur une approche dco-conception, nous avons conu un nouveau matriau
composite de type sandwich renfort en tissu de jute et me en lige agglomr. Ralis
partir de la mthode infusion en one shoot , les chantillons sont tests en flexion trois et
quatre points et en cisaillement. Les essais de cisaillement raliss sur les liges C190,
C190(R) et C270, C270(R) suivant la norme NF EN12090 1997/1 montrent une variabilit de
la valeur du module de cisaillement du lige. On note une augmentation du module de
cisaillement en faveur des liges contenant de la rsine introduite lors de llaboration des
panneaux sandwichs. La prsence de rsine dans le lige occupe lespace vide entre les
granuls composant le lige agglomr, plus lespace vide est important plus il y a de
prsence de rsine comme cest le cas pour le C190, ce qui le rend plus dure et plus fragile, on
note aussi une augmentation du module de cisaillement de 44 %. Le mme phnomne est
enregistr dans le cas du lige C270, ce type de lige prsente moins despace vide entre
granuls (granuls de petites dimensions 1 2 mm), on note une prsence moins importante
de rsine suite au mode dlaboration. Le module de cisaillement du lige C270(R) augmente
de 10 % par rapport au C270, cette augmentation du module de cisaillement par rapport au
C190 peut sexplique par la faible prsence de rsine.
(a) (b)
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Rfrences [1] T. Munikenche Gowda, A. C. B. Naidu, T.M. Rajput Chhaya, Some mechanical
properties of untreated jute fabric reinforced polyester composites, Composites Part A,
Volume 30, Issue 3 (1999), 277-284.
[2] A. Mir, R. Zitoune, F. Collombet, B. Bezzazi. Study of Mechanical and
Thermomechanical Properties of Jute / Epoxy Composite Laminate. Journal of
Reinforced Plastics and Composites Volume 29 Number 11. 2010. pp1669-1680.
[3] R. Pinto. B. Melo: Boletim da Junta Nacional de Cortica, 1988, 602, pp 322328.
[4] A. Tadeu. P. Santos. Appl. Acoust., 2003, volume 64, pp 287310.
[5] M. E. Rosa. H. Pereira: Holzforschung, 1994, volume 48, pp 226232.
[6] L. Gil. Effect of hot pressing densification on the cellular structure of black agglomerated
cork board. Holz ais Roh und Werkstoff 52 (1994) 131-134 Springer Verlag.
[7] A. M. Gil, M. Lopes, J. Rocha and C. P. Neto: Int. J. Biol. Macromol., 1997, 18, 6371.
[8] R. Pinto and B. Melo: Boletim da Junta Nacional de Cortica, 1988, 602, 322328.
[9] A. Tadeu and P. Santos: Appl. Acoust., 2003, volume 64, pp 287310.