Essais de résistance au flambage et au plissement des matériaux, notamment du carton et du carton ondulé

La contrainte de flambage désigne la contrainte de compression critique à partir de laquelle un élément structurel (tel qu'une colonne, une plaque, une coque ou un panneau) perd brutalement sa stabilité et se déforme (flambe) latéralement au lieu de continuer à se comprimer axialement. Ce mode de rupture se produit fréquemment à des niveaux de contrainte bien inférieurs à la limite d'élasticité ou à la résistance à la compression du matériau, notamment dans les structures minces ou à parois minces.

Dans les feuilles ou panneaux minces (couramment utilisés dans les matériaux d'emballage), cela implique une déformation hors plan sous l'effet du flambage, de la compression, de la flexion ou de charges combinées.

Le test de pliage évalue la capacité d'un matériau (notamment le carton ou le carton ondulé) à former un pli net et résistant sans craquelure ni dommage excessif. Le pli crée une ligne de faiblesse intentionnelle pour le pliage des emballages (boîtes, cartons, etc.). Les principaux tests sont :

• Mesure de la rigidité des rides ou de la force de récupération (par exemple, la force à laquelle une ride à 90 degrés ou une pliure à 15 degrés est maintenue).
• « BS 6965-1 Propriétés de pliage des feuilles de carton - Méthode de détermination de la récupération d'un pli à 90 degrés ».

Les plis créent des faiblesses localisées, des défauts géométriques ou une rigidité réduite dans les panneaux ou les boîtes comprimés, ce qui peut déclencher ou contribuer au flambage.

Dans les emballages en carton ondulé, des plis se forment sur les bords et les couvercles des boîtes (par exemple, les conteneurs en carton ondulé standard). Ces plis constituent des défauts initiaux ou des lignes de charnière, réduisant la charge critique de flambage des panneaux latéraux sous compression verticale.

Des études menées sur des panneaux de carton ondulé ont montré ce qui suit :

• Les panneaux se déforment dans la zone post-élastique en raison de leurs propriétés orthotropes (rigidité différente dans les directions mécanique et transversale).
• Les plis créent des incertitudes quant à la capacité de charge en réduisant la rigidité en flexion locale et en favorisant un flambage précoce ou une déflexion post-flambage.
• En particulier du côté concave lors de la flexion ou de la compression, un flambage local des revêtements (surfaces) se produit généralement avant la rupture globale.

Les essais expérimentaux de compression de panneaux révèlent des courbes charge-déplacement présentant un comportement de flambage explicite : une réponse initialement linéaire, suivie d’un comportement post-flambage non linéaire jusqu’à la rupture du matériau.

Les méthodes de pliage analogiques (traditionnelles, à base de matrices) et numériques influencent les résultats :

• Le pliage numérique peut modifier la résistance à l'écrasement des bords, la rigidité au cisaillement, la rigidité à la flexion et la résistance globale à la compression de la boîte.
• Des plis supplémentaires ou mal construits favorisent le flambage, réduisant considérablement la résistance à la compression.

Dans une étude détaillée menée sur des panneaux ondulés :

• Les modèles analytiques estiment la charge critique de flambage à environ 958 N, tandis que les expériences montrent environ 814 N (en raison de défauts tels que le pliage et le comportement non linéaire du papier).
• Le comportement après flambage s'adapte aux courbes, et la rupture résulte généralement de la limite atteinte par la contrainte de la doublure intérieure.

La qualité du pliage est également liée à la séparation des couches pendant le pliage, permettant un comportement de type flambage par couches dans la zone de pliage.

Les tests courants permettant d'établir un lien entre les plis et les froissements des emballages comprennent :

• Test d'écrasement des bords : mesure la résistance à la compression perpendiculaire aux rainures ; il est affecté par les plis.
• Test de compression de la boîte : évalue le flambage complet de la boîte sous charge ; les plis réduisent la capacité.
• Tests de flexion de panneaux : Ces tests consistent à comprimer des panneaux rainurés simplement appuyés afin d’examiner les effets des entorses et des plis.
• Tests de récupération des plis/rigidité : Mesurent la qualité du pliage et affectent indirectement la résistance au flambage.

Les interactions entre le flambage et le plissement sont également importantes dans les revêtements automobiles. Par exemple, les essais de contrainte de flambage/plissement sont réalisés conformément à certaines normes telles que la norme « EN 4214 Série Aviation - Alliage d'aluminium AL-P7010-T651 » et ses variantes pour l'adhérence sous déformation.

En général, la compréhension des contraintes de flambage permet de prédire les performances de l'emballage, tandis que les tests de froissement garantissent un pliage fiable. Un froissement insuffisant accélère la rupture par flambage lors de l'empilage et de la manutention, et réduit la résistance de la boîte en favorisant la déformation des panneaux ou un déséquilibre local du revêtement.

Les essais de résistance au flambage sont extrêmement importants car le flambage est un type de blessure très dangereux et insidieux.

• Cela arrive soudainement.
• Cela se produit à une contrainte bien inférieure à la résistance normale du matériau (limite d'élasticité / résistance à l'écrasement).
• Une fois le flambage amorcé, la structure perd très rapidement la quasi-totalité de sa capacité portante.
• Même une très petite charge supplémentaire après le flambage peut entraîner une déformation importante et imprévisible.

Les principales raisons de réaliser des tests d'entorse sont les suivantes :

• La sécurité permet d'éviter les effondrements soudains et catastrophiques. Négliger les mesures de sécurité peut entraîner l'effondrement de bâtiments, de ponts, de tours, de grues et d'étagères. Le génie civil et le génie des structures sont des domaines où elle est particulièrement cruciale.
• La défaillance survient bien plus tôt que prévu. Si elle est ignorée, la colonne risque de se rompre à seulement 20 à 40 % de sa résistance. Ce phénomène est particulièrement critique pour les colonnes, les supports, les parois minces et les panneaux.
• L'analyse des contraintes classiques ne permet pas de détecter le flambement. Si ce phénomène est ignoré, les conséquences concrètes – même si l'analyse statique linéaire ne révèle qu'une très faible déviation – entraîneront tout de même un flambement. Ce phénomène est particulièrement critique pour tout élément mince comprimé.
• Les signes avant-coureurs d'une défaillance sont très rares. Si on les ignore, les conséquences concrètes sont qu'il n'y a pas de déformation permanente importante avant l'effondrement. Ce problème est particulièrement critique dans les secteurs de l'aérospatiale, des châssis automobiles et des rayonnages de stockage.
• C'est extrêmement important pour les structures fines, longues et hautes. Négliger cet aspect peut avoir des conséquences concrètes : plus la structure est longue, fine et haute, plus elle devient dangereuse. Les tours, les mâts, les longues flèches, les coques minces et les plaques sont des exemples typiques de structures où cela est crucial.
• C'est un point crucial dans l'emballage (notamment pour les cartons). Négliger cet aspect peut entraîner l'affaissement des cartons lors de l'empilage et l'endommagement des produits. Ce point est particulièrement important pour les cartons ondulés, le palettisation et les emballages prêts à la vente.
• Cela permet de réaliser des économies considérables. Négliger ce point aurait des conséquences concrètes, évitant à la fois le surdimensionnement et le sous-dimensionnement. Ce point est crucial dans tous les secteurs (aéronautique, automobile, emballage, construction).

Depuis de nombreuses années, notre organisation, forte d'une équipe compétente et expérimentée, comprend les besoins de ses clients, leur fournit les services d'essais avancés requis et les accompagne dans la mise en place, l'implémentation et l'amélioration de leurs systèmes de management. Dans ce cadre, nous proposons également aux entreprises des services d'essais de flambage et de flexion.