Élaboration et modélisation du comportement des structures sandwiches stratifiées à base de matériaux à gradient fonctionnel FGM

Abstract

Dans ce travail de thèse on s'intéresse à l'analyse du comportement de nouveaux panneaux sandwichs en âme graduée à base d’une conception respectueuse de l’environnement, constituée du plâtre avec des ajouts granulaires du liège et des peaux symétriques en polymère collées sur les deux faces de l’âme à l’aide d’une résine STR. La nouveauté de la présente recherche est de souligner l’apport des matériaux à gradient fonctionnel (FGM) sur les caractéristiques physiques et mécaniques des structures sandwiches et de mettre en évidence l'avantage de cette nouvelle technologie de conception pour répondre aux besoins des structures en termes d’isolation thermique et de capacité mécanique. Un protocole expérimental a été mis au point afin de mettre en évidence les performances mécaniques, physiques et thermiques des panneaux sandwichs développés. En effet, cinq types d’éprouvette en fonction de la dégradation des matériaux ont été conçues pour les essais de caractérisation de l’âme. Ensuite, trois séries de panneaux sandwichs ont été élaborées et testées sous compression axiale, flambement et flexion 03-points. Les courbes de capacité, les modes de rupture, les mesures de conductivité thermique et de porosité de tous les échantillons testés ont été fournis et discutés pour mettre en évidence la configuration de l’âme graduée par rapport à la configuration conventionnelle. Afin de compléter les essais mécaniques et physiques, une analyse microscopique des âmes de panneaux sandwichs est menée à l’aide d’un microscope électronique à balayage (MEB). Cette analyse permet de bien comprendre la microstructure des différents types d’éprouvette et notamment d’examiner la qualité de l’adhérence et la cohésion entre les granulats du liège et la matrice plâtre au niveau des phases de transition. Une Modélisation analytique du comportement mécanique des panneaux élaborés est mise au point afin de transcrire la réponse des panneaux sous chargement de flexion. La variation de rigidité dans la direction de l’épaisseur des panneaux est modélisée à travers une nouvelle loi de puissance. Une étude comparative a été réalisée entre les résultats expérimentaux et ceux prédits par le modèle analytique basé sur les théories des poutres d'ordre élevé. Après la validation du modèle, l’effet du changement du paramètre du matériau qui régit la nature de la transition de phase sur l’évolution de la flèche, les contraintes normales et de cisaillement est présenté et discuté. L’analyse des résultats obtenus à travers la confrontation avec les travaux récents disponibles dans la littérature scientifique mis en exergue les avantages conceptuels des panneaux proposés en termes d’optimisation des paramètres de conception de ces matériaux de construction, qui peuvent être utilisés comme cloisons et panneaux de séparation dans les structures. The present PhD thesis investigates the behavior of new functionally graded core based-sandwich panels manufactured according to an environmentally friendly design based on a plaster matrix with cork aggregates inclusion and symmetrical polymer skins bonded to both core faces using STR resin. The novelty of the present research is to highlight the contribution of functional gradient materials (FGM) on the physical and mechanical characteristics of sandwich structures, and to determine the advantage of this new design technology to respond to civil structures requirements in terms of thermal insulation and mechanical capacity. An experimental procedure was carried out to highlight the mechanical, physical and thermal performance of the designed sandwich panels. Indeed, five different layouts of specimen were designed to characterize the panel’s core according to the material degradation. Hence, three sets of sandwich panels were manufactured and tested under axial compression, buckling and 03-point bending. Capacity curves, failure modes, thermal conductivity and porosity measurements of all tested samples were provided and discussed to highlight the graded core configuration compared to the conventional one. To complete the mechanical and physical tests, a microscopic analysis of the sandwich panel cores was carried out using a scanning electron microscope (SEM). This analysis provides a good understanding of the microstructure of the different types of specimen, and in particular examines the quality of adhesion and cohesion between the cork aggregates and the plaster matrix namely at the transition phases. Analytical modeling of the mechanical behavior of the designed panels is established to transcribe the bending response of the panels. The stiffness variation through the panel thickness was modeled according to a new power-law approach. A comparative study was carried out between the experimental results and the predicted ones using the analytical model based on high-order beam theories. After the qualitative and quantitative validation of the model, the effect of material power-law parameter that governs the transition phase on the evolution of deflection, normal and shear stresses is presented and discussed. the obtained outcomes analysis as well as the comparison with recent works available in the scientific literature highlights the conceptual advantages of the proposed panels in terms of design parameters optimization of the of these construction materials, which can be used as partitions and separation panels within civil structures.