Soutenance mémoire
Description d’une cloison légère
La structure considérée dans ce travail est une cloison légère faite de plaques CPC vissées sur une ossature métallique. Les plaques CPC sont constituées d’un corps de plâtre collé à deux feuilles de carton sur ses deux faces. Les plaques CPC ont pour fonction d’empêcher la propagation du feu et permettent, durant un certain temps, de limiter l’élévation de la température. Les caractéristiques des plaques CPC sont définies par la norme NF 72-302 [NF.81]. L’ossature (montant) métallique de la cloison légère est montrée sur la figure 1.1-b. Les cloisons légères dont utilisées dans la réalisation d’éléments structuraux non porteurs comme les cloisons, les plafonds, les doublages de mur, etc. Les vis sont destinées à la fixation des plaques CPC sur l’ossature métallique. Les vis ont une tête de profil adaptée à cet usage qui permet une pénétration progressive dans la plaque CPC et un affleurement satisfaisant sans toutefois couper le carton [DTU.81].
Courbe conventionnelle de l’incendie naturel ISO 834
Selon la norme NF P 72-203-1, une cloison légère doit non seulement avoir une résistance mécanique, mais aussi satisfaire à des exigences de la résistance au feu. Dans le contexte réglementaire actuel, pour la caractérisation des structures au feu, il est nécessaire d’effectuer des essais en vraie grandeur sous une charge thermique normalisée qui est décrite par une courbe nominale de la norme ISO 834, appelée la courbe conventionnelle de l’incendie naturel. Cette courbe ISO 834 est la courbe qui définit la charge thermique de référence permettant de faire les tests et les calculs dans le cadre des règles des D.T.U. Cette courbe a l’équation suivante
θ(t) = 20 + 345 log(8t + 1) , (1.1)
où θ(t) est l’écart entre la température, en degré Celsius, à l’instant t et la température initiale, et où t est le temps mesuré en minutes. Le graphe montre que les courbes de feu réel sont différentes de la courbe moyenne ISO 834 dont la caractéristique principale est qu’elle n’arrête pas de croître, alors que, pour un feu réel, elle finit toujours par re-décroître, faute de combustible. Toutefois, la courbe ISO 834 présente l’avantage de ne mettre en jeu directement d’un seul paramètre (le débit combustible) et facilite la reproductibilité et la comparaison des résultats d’essais.
Propriétés chimiques et caractéristiques mécaniques, thermiques et thermomécaniques de plaque CPC
Propriétés chimiques
Les plaques CPC sont couramment utilisées pour assurer la résistance au feu en construction. Les bonnes propriétés de résistance au feu des plaques de CPC viennent de la composition chimique du plâtre. Le plâtre pur, existant à l’état naturel, est composé de sulphate de calcium (CaSO4), d’eau libre à l’état d’équilibre avec un taux d’humidité d’environ 3%, et de l’eau chimiquement liée avec un taux d’environ 20% [7], [32]. Sa formule chimique est CaSO4.2H2O (sulphate de calcium di hydraté). Lorsque les plaques CPC sont exposées à une source de chaleur, l’eau chimiquement liée se dissocie du réseau cristallin, migre et se vaporise. Au cours du chauffage, le plâtre subit trois réactions de décomposition endothermique, dans la quelle, la dissociation de l’eau chimiquement liée a lieu dans deux étapes.
Caractéristiques mécaniques du plâtre et de la plaque CPC
Pour développer un modèle du comportement mécanique homogénéisé de la plaque CPC, il est nécessaire de connaître les caractéristiques mécaniques de ses constituants. Dans les travaux de Benouis [10], on trouve des résultats d’essais et l’identification des caractéristiques mécaniques des plaques CPC standard, d’épaisseur 13 mm, à la température ambiante.
Caractéristiques thermiques du plâtre et de la plaque CPC
La précision de toute analyse de transfert thermique d’une plaque CPC dépend des données d’entrée et des propriétés thermiques des matériaux. Pour une analyse de transfert thermique de la plaque CPC homogénéisé, les paramètres effectifs de la plaque CPC sont la densité volumique de masse, la chaleur spécifique et la conductivité thermique. Plusieurs auteurs se sont intéressés aux mesures de ces paramètres, ce qui donnent une littérature assez riche.
Densité volumique de masse
La densité volumique de masse de la plaque CPC, à la température ambiante, varie de 578 à 1000 kg/m3 . Cette variation provient de la différence de quantité d’humidité contenue dans le plâtre et de la densité de pores remplies d’air dans le plâtre. Ces deux facteurs jouent un rôle important dans la performance à la résistance au feu des plaques CPC. A haute température, la densité volumique de masse de la plaque a été étudiée par différents groupes de recherche, qui ont établi, pour des plaques CPC similaires, l’évolution de la densité avec la température. La figure 1.4 montre des résultats de l’évolution de la densité avec la température dans la gamme des hautes températures. Mehaffy et al [53], Sultan (1996) [75], et le NIST (1980) [2] ont trouvé des résultats similaires concernant l’évolution de la densité volumique de masse en fonction de la température pour les plaques CPC. La figure 1.4 montre une diminution importante de la densité volumique de masse à environ 100 oC où la première réaction de déshydratation se produit. Pour l’ensemble de ces travaux expérimentaux, seul Mehaffy rapporte que la seconde réaction de déshydratation (repérée par la baisse de la densité volumique de masse, est à environ 600 oC. Harmanthy (1991) [35] et Fuller et al (1992)[31] signalent également les changements de densité volumique de masse avec la température de la plaque CPC. Cependant, les résultats expérimentaux donnent des valeurs différentes de celles de Sultan et Mehaffy et al [53].
Chaleur spécifique
La valeur de la chaleur spécifique mesurée à la température ambiante varie de 600 à 1500 J/kg.K. Similairement à la variation de la densité volumique de masse en fonction de la température, il y a des différences significatives entre les valeurs mesurées pour la chaleur spécifique des plaques CPC.
Sultan (1996) [75] rapporte deux pics dans l’évolution de la chaleur spécifique de 18 500 et 3 070 J/kg.K à 125 oC et 670 oC, respectivement. Harmanthy (1988) [35] prévoit un pic de 7 320 J/kg.K à 100 oC alors que Harmanthy présente des mesures avec un pic de 2 000 J/kg.K pour une température de 630 oC, valeur similaire à celle de Sultan. Bien que non représentées sur la figure 1.5, Fuller et al (1992) donne des conclusions similaires à Sultan et Harmanthy, avec un premier pic de 16 600 J/kg.K à 103 oC et un second pic de 1 700 J/kg.K à 600 oC. Mehaffy et al (1994) [53] ont seulement mesuré la chaleur spécifique jusqu’à 200 oC et n’ont pas enregistré de second pic. Leur études font état d’un pic de 49 950 J/kg.K à 110 oC, et une chaleur spécifique extrapolée de 980 J/kg.K pour la température ambiante. Hadjisophocleous (1996) [34] ne trouve pas de pic pour la chaleur spécifique. Andersson et Jansson (1987) [4] fournissent des valeurs de la chaleur spécifique, obtenues à partir de mesures sur des plaques CPC de type « nordique ». Ils signalent des pics de 52 200 et 19 200 J/kg.K pour les températures 110 oC et 210 oC, respectivement. Thomas (1997) [78] a étudié les valeurs déclarées par Mehaffy et al [53], Andersson et al [4], et Harmanthy [35]. Il est à noter que C. Konig et Walleij (2000) [46] définissent pour les modèles numériques de transfert thermique des plaques CPC, des valeurs pour la chaleur spécifique, basées sur les résultats expérimentaux de Harmanthy [35], Mehaffy et al [53], Andersson et al [4] et Thomas [78], avec un pic à 46 300 J/kg.K pour une température de 105 oC et négligent le second pic. Ils obtiennent ainsi des prévisions numériques correctes en comparaison avec des résultats expérimentaux.
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Table des matières
Introduction générale
1 Contexte, objectif et spécification de la recherche
1.1 Contexte
1.2 Objectif de la recherche
1.3 Spécification de la recherche
2 Positionnement de la recherche
3 Méthodologie de la recherche
4 Plan du mémoire de thèse
1 Etude bibliographique
1.1 Description d’une cloison légère
1.2 Courbe conventionnelle de l’incendie naturel ISO 834
1.3 Propriétés de la plaque CPC
1.3.1 Propriétés chimiques
1.3.2 Caractéristiques mécaniques du plâtre et de la plaque CPC
1.3.3 Caractéristiques thermiques du plâtre et de la plaque CPC
1.3.4 Caractéristiques thermomécaniques des constituants de la plaque CPC
1.4 Modèle du transfert thermique et thermomécanique de la plaque CPC
1.4.1 Modèle de transfert thermique
1.4.2 Modèle déterministe moyen thermomécanique non linéaire homogénéisé avec endommagement d’une plaque CPC
1.5 Rappels de la théorie des probabilités, utiles pour la modélisation stochastique des incertitudes
1.5.1 Modélisation probabiliste paramétrique des incertitudes sur les paramètres du système
1.5.2 Rappel sur la construction de la loi de probabilité d’un vecteur aléatoire par le principe du maximum d’entropie
2 Construction des modèles de la loi de comportement en cisaillement de l’assemblage
2.1 Généralité
2.2 Analyse expérimentale
2.2.1 Description du dispositif expérimental
2.2.2 Résultat d’essai et analyse
2.3 Construction du modèle moyen du comportement en cisaillement de l’assemblage par vissage à température ambiante
2.4 Construction du modèle probabiliste du comportement en cisaillement de l’assemblage par vissage à température ambiante
2.5 Identification expérimentale des paramètres des modèles déterministe et probabiliste
2.5.1 Identification des paramètres du modèle moyen
2.5.2 Identification des paramètres du modèle probabiliste
2.6 Conclusion
3 Caractérisations expérimentales thermiques et thermomécaniques d’une plaque CPC
3.1 Présentation du banc de charge thermique (BCT)
3.2 Mesure de la dilatation thermique et de la courbure thermique
3.2.1 Objectif des mesures
3.2.2 Configuration expérimentale
3.2.3 Résultats et analyse
3.3 Mesure de la température et de la perte de masse de la plaque CPC
3.3.1 Objectif des mesures
3.3.2 Configuration expérimentale
3.3.3 Résultats d’essai
3.3.4 Analyse globale des mesures de la déformation thermique, de la température et de la perte de masse
3.4 Essais de traction
3.4.1 Objectif des mesures
3.4.2 Configuration expérimentale
3.4.3 Résultat d’essai
3.4.4 Analyse des résultats d’essai
3.5 Essais de compression
3.5.1 Objectif des mesures
3.5.2 Configuration expérimentale
3.5.3 Résultats d’essai
3.5.4 Analyse des résultats
Conclusion générale
