Characterisation of the mechanical behaviour of insulating materials under shock loading
Caractérisation du comportement mécanique de matériaux isolants sous choc
Résumé
Risk reduction on Seveso sites and their surroundings, especially for the protection of industrial buildings in the event of an explosion scenario, is a matter of concern. In the context where the insulation of industrial buildings is becoming more widespread, one solution would be to combine thermal insulation and building protection, by exploiting the absorption capacity of common thermal insulating materials. This solution would be interesting from an economic point of view.
The aim of this PhD thesis is to characterise experimentally the mechanical behaviour of two insulating materials: a polyisocyanurate foam and a glass wool. The mechanical characterisation for dynamic loadings of these kinds of complex materials with very-low densities remains vastly incomplete to this day.
Unconfined and confined compression experiments in static loading are carried out and a follow-up using high-resolution imaging associated with digital image correlation allows to identify the mechanical properties, to observe the heterogeneity of the strain field and to follow the propagation of compaction fronts in the material.
Dynamic compression experiments using the Split Hopkinson Pressure Bars device (SHPB), completed with DMA experiments, allow to study the strain rate sensitivity of the response and to highlight a strain rate dependence of the plateau stress and an insensitivity to the strain rate at densification. A high-speed imaging follow-up associated with digital image correlation also allows to observe the heterogeneity of the strain field and to determine the speed of the compaction front in the material.
The mechanical behaviour of the insulating materials is described using empirical laws or rheological solid models. A simplified model is proposed to analyse the potential effect of a protection device composed of a cladding and a thermal insulating material against a shockwave loading. It shows that if a protection effect is possible, its effectiveness will depend on the signature of the shock loading and the physical and geometrical characteristics of the protection system.
La réduction des risques, sur des sites Seveso et leurs alentours, face aux sollicitations accidentelles ou malveillantes, passe par la sécurisation des bâtiments aux sollicitations dynamiques de type surpression et impact. L’utilisation d’une isolation par l’extérieur, de type matériau isolant et bardage métallique par exemple, semble une piste intéressante techniquement et économiquement permettant d’allier protection face aux risques technologiques et rénovation énergétique.
Dans ce travail, deux matériaux représentatifs des isolants thermiques plastiques et minéraux ont été retenus, une mousse polyisocyanurate et une laine de verre. La caractérisation mécanique de ce type de matériaux complexes et à très faible masse volumique demeure, dans le contexte de sollicitations dynamiques, largement incomplète à l’heure actuelle et les essais mal maîtrisés.
Des essais de compression simple et œdométrique en régime statique sont réalisés et un suivi par imagerie à haute résolution associé à de la corrélation d’images numérique permet d’identifier les propriétés mécaniques, d’observer l’hétérogénéité des déformations et de suivre la propagation de fronts de compaction dans le matériau.
Des essais dynamiques aux barres de Hopkinson, complétés d’essais DMA, permettent d’étudier la sensibilité à la vitesse de la réponse et de mettre notamment en évidence une dépendance à la vitesse de la contrainte plateau et une insensibilité à la vitesse de la déformation à la densification. Un suivi par imagerie à haute vitesse associé à de la corrélation d’images numérique permet également d’observer l’hétérogénéité des déformations et de déterminer la célérité du front de compaction dans le matériau.
Le comportement mécanique des isolants est reproduit au moyen de lois empiriques ou par assemblage de modèles rhéologiques. Une modélisation simplifiée est proposée pour analyser l’effet potentiel d’un dispositif de protection constitué d’un ensemble bardage et isolant face à une sollicitation dynamique transitoire. Elle montre que si un effet atténuateur est possible, son efficacité va dépendre tout à la fois de la signature de la sollicitation et des caractéristiques physiques et géométriques du système de protection.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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