Comportement mécanique d'un panneau sandwich à peaux hybrides et à âme renforcée par des connecteurs en GFRP : étude expérimentale et numérique

Mechanical behaviour of a sandwich panel composed of hybrid skins and GFRP truss core : experimental and numerical study

• Auteur / Autrice : Khaled Djama
• Direction : Aron Gabor, Laurent Michel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux et structures
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d’inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Matériaux Composites pour la Construction (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : David Bigaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aron Gabor, Laurent Michel, Amen Agbossou, Amna Rekik, Thouraya N. Baranger, Catherine A. Davy, Julia de Castro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Amen Agbossou, Amna Rekik

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Cisaillement (mécanique)

Génie civil

Matériaux sandwichs

Mots clés libres

MEF

Panneau sandwich

Simulation 3D

Âme renforcée

Multi-matériau

FEM

Sandwich panel

3D modeling

Truss core

Multi-material

Résumé

L’utilisation des panneaux sandwiches dans le génie civil est de plus en plus importante car ils présentent des atouts indiscutables comme un très bon rapport performance / poids ou une mise en œuvre facile et rapide. Cependant, leur essor est ralenti par certaines faiblesses comme une flèche de cisaillement conséquente, des instabilités locales dans le cas de peaux fines en composites et un comportement au feu souvent médiocre quand les panneaux sont constitués de polymères. Une des solutions au cisaillement de l’âme est l’utilisation de raidisseurs ou de connecteurs. L’introduction de matériaux minéraux dans les peaux enveloppe les panneaux et les ignifuge d’une part, et répond à la problématique d’instabilité locale par les bonnes propriétés en compression de ces matériaux d’autre part.Cette thèse traite du comportement mécanique d’un panneau sandwich composé de peaux hybrides (couche minérale et couche en polymère renforcé par des fibres de verre) et d’une âme en mousse polyuréthane renforcée par des connecteurs en GFRP (Glass Fibre Reinforced Polymer). Ce travail se compose de trois parties : le comportement mécanique du panneau en GFRP, celui de l’interface entre les deux matériaux constituant les peaux, et la réponse de structure hybride à grande échelle. Cela s’est fait après une caractérisation expérimentale de chaque composant du panneau sandwich à l’échelle du matériau. En premier, le comportement mécanique de la structure sandwich en GFRP a été étudié expérimentalement par des essais de compression, de cisaillement et de flexion trois points. Ensuite, il a été modélisé par éléments finis à l’aide du modèle d’Hashin. La simulation numérique a été validée par confrontation avec les résultats expérimentaux des essais cités précédemment. Ce modèle a permis la validation des observations expérimentales et la visualisation de la cinématique de l’endommagement. En fin de chapitre, l’influence des paramètres des connecteurs, tels que le module d’élasticité, l’inclinaison, le diamètre et la densité surfacique a été numériquement étudiée.Dans le chapitre d’après, l’interface couche minérale – couche en GFRP a été caractérisée expérimentalement par des essais de traction et des essais push-out pour dégager les paramètres gouvernant le mode I et II. Six configurations d’interface ont été testées pour en retenir celle qui présente les meilleures propriétés mécaniques. Dans les quatre premières configurations, l’accroche mécanique a été améliorée par l’intermédiaire de la rugosité du substrat. Dans les deux dernières configurations, nous avons essayé de créer une meilleure accroche chimique par l’application d’un primaire d’adhérence et l’ajout d’alcool polyvinylique. Un essai de flexion trois points a été effectué sur deux configurations de panneaux hybrides : avec l’interface de référence et l’interface où les meilleures propriétés mécaniques ont été enregistrées. Enfin, nous avons proposé une modélisation de la rupture de l’interface à l’aide du modèle de zone cohésive. Celui-ci a été validé par comparaison avec les résultats expérimentaux. Dans le dernier chapitre, le comportement de panneaux de grande échelle a été étudié. Sur le plan expérimental, trois configurations ont été testées : l’épaisseur de l’âme et le grammage des fibres dans les peaux en GFRP ont été variés. Sur ces panneaux de 120 cm × 60 cm, deux configurations d’interface ont également été testées. Le modèle numérique proposé a été validé à cette échelle. Par la suite, il a été utilisé pour le dimensionnement des panneaux et la vérification des contraintes par rapport aux critères d’une utilisation en tant que panneaux de façade. Vis-à-vis des charges du vent, les critères de flèche et de contrainte sont satisfaits pour une portée de 2 m avec une épaisseur d’âme de 5 cm. La masse du panneau ne dépasse pas 21 kg/m². Enfin, l’utilisation de ces panneaux en tant que prédalles de plancher dans la réhabilitation de bâtiment a été évaluée par une étude de cas

The use of sandwich panels in civil engineering is becoming increasingly important thanks to some certain advantages as a good stiffness to weight ratio and easy implementation. However, their growth is hindered by weak points as: significant shear deflection, indentation and buckling of thin composite skins, and fire issues when the panels are made of polymers. Utilization of ribs or connectors trough the core can be a suitable answer to the shear issue. When the skins are made of mineral materials, the panels become fireproof and buckling is avoided by the appropriate compressive behaviour of such materials.This thesis deals with the mechanical behaviour of a sandwich panel composed of hybrid skins (mineral layer and glass fibre reinforced polymer layer) and GFRP truss (glass fibre reinforced polymer) core. The study was split up into three parts: the mechanical behaviour of the GFRP panel, the interface issue between the materials that compose the hybrid skins, and the mechanical response of the large-scale hybrid panel. The cited parts were studied after a mechanical characterisation of each panel component at the material scale. First, the mechanical behaviour of the GFRP structure was experimentally studied through compression, shear and three-point bending tests. Then, a finite element simulation using Hashin model was performed. The model was validated by comparison with the experimental curves of the cited tests. The visualization of the damage evolution confirmed experimental observations of failure modes. At the end of the chapter, the influence of connectors’ geometrical and mechanical parameters (as modulus, inclination, diameter and square density) was studied. The interface between the GFRP layer and the mineral one was first experimentally characterised through tensile and push-out tests to extract the mechanical parameters of mode I and II. Six interface configurations were tested to select the one that mechanically performed the best. In the first four configurations, the roughness of the substrate was increased to improve the mechanical cling. In the last two configurations, we attempted to improve the chemical adherence by applying a primary adhesive layer and by addition of polyvinyl alcohol. A three points bending test was performed on two configurations of hybrid panels: with the reference interface and the one that mechanically performed the best. A cohesive zone model was introduced to predict the interface damage. It was validated by comparison with the experimental data. The mechanical behaviour of large-scale hybrid panels was studied in the last chapter. Experimentally, three configurations were tested: the core thickness and the fibre weight in the GFRP skins were changed. At this scale, two interface configurations were also tested. The proposed numerical model was validated regarding the large-scale experimental responses. Then, it was used to design sandwich structure against façade panels criteria. For a span of 2 m, the wind criterion was satisfied with a core thickness of 5 cm. The panel weight doesn’t exceed 21 kg/m². Finally, the use of the studied sandwich structure as pre-slab panels was numerically assessed through a case study