Une plaque de plâtre allégée est un produit constituée d’un cœur, « mousse de plâtre », dont la porosité peut atteindre 75% et de revêtements de carton. Il est important de comprendre et caractériser le comportement mécanique de la plaque de plâtre pour optimiser le compromis résistance thermique / tenue mécanique. Pour répondre à cet objectif, des méthodologies spécifiques de corrélation d’images numériques et d’identification du comportement mécanique dans des régimes fortement non-linéaires (endommagement, effondrement de la porosité, fissuration macroscopique…) ont été développées et mises en œuvre. Une première classe de propriétés mécaniques, conditionnant la manutention et la pose des plaques, concerne la tenue à la flexion. Des essais de flexion trois et quatre points ont été réalisés jusqu’à la rupture. La corrélation d’images numériques 2D a été utilisée pour suivre la cinématique de l’essai. Le comportement de la plaque de plâtre en flexion a été identifié grâce à une description continue et homogénéisée de type poutre où la dégradation progressive de la rigidité de la plaque est décrite par une loi d’endommagement. Une procédure d’identification spécifique est présentée où imperfections expérimentales et brisures éventuelles de symétrie sont prises en compte. L’analyse montre que le comportement de la plaque en flexion est essentiellement piloté par les propriétés mécaniques de la face cartonnée et de la qualité de l’interface papier-plâtre. Le mécanisme de rupture en flexion a été également identifié par des essais in-situ dans un tomographe. Une deuxième catégorie de propriétés mécaniques concerne un essai normatif d’arrachement. Grâce à des tests réalisés au sein d’un tomographe, et à l’analyse de la cinématique par corrélation d’images volumiques, les différentes étapes clefs ont été identifiées, et la compaction du cœur par effondrement de la porosité sous compression a été reconnu comme le facteur limitant. Dans le but de mieux comprendre ce mécanisme de ruine des essais d’indentation sphérique tomographiés ont été réalisés sur des échantillons de mousse constitutive du cœur de la plaque. Sous l’indenteur, une transition brutale entre comportement élastique et compaction forte accompagnée d’un effondrement de la porosité est visible. Pour répondre à la nécessité d’estimer finement l’état de déformation multiaxiale qui caractérise cette transition, une procédure originale de corrélation d’images volumiques intégrée a été développée. Elle s’appuie sur un code commercial d’éléments finis comme moyen de générer une base cinématique adaptée à l’essai d’indentation sphérique. Le couplage d’essais mécaniques in-situ, la corrélation d’images volumiques et la simulation numérique d’une part, et l’intégration d’informations connues a priori dans la démarche d’identification d’autre part ont permis d’identifier un critère de ruine local. Le comportement triaxial du plâtre poreux a été caractérisé également via des essais triaxiaux homogènes, en suivant différents trajets de chargement. Le comportement triaxial du plâtre moussé a été identifié. Les résultats obtenus sont en accord avec les résultats de l’identification conduite sur l’essai d’indentation. / Lightweight plasterboard is a product composed of a "plaster foam" core whose porosity can reach 75% lined with two sheets of paper. To optimize the compromise between thermal resistance and mechanical strength, it is important to understand and characterize the mechanical behavior of the plasterboard. In the present work, specific methodologies for digital image correlation and identification of the mechanical behavior in highly nonlinear regimes (damage, collapse of porosity, macroscopic cracking ...) have been developed and implemented. A first set of mechanical properties, crucial for handling and placarding, concerns the bending strength. Three and four points bending tests were performed until failure. Digital image correlation was used to follow the kinematic of the test. The behavior of the plasterboard has been identified through a homogenized continuum description based on plate kinematic where the progressive degradation of bending stiffness is described through a damage law. A specific procedure for identification is presented where experimental imperfections and symmetry breakdown are tolerated and accounted for. The analysis shows that the mechanical behavior of the plasterbaord in bending test is controlled primarily by the mechanical properties of the paper lining and the quality of gypsum / paper interface. The failure mechanism in bending test was also identified through in-situ tests performed inside the tomograph. A second category of mechanical properties relates to a normative test “Nail pull test”. Through tests conducted inside the tomograph and the analysis of the kinematics by digital volume correlation, the different key stages of the failure mechanism have been identified. The compaction of the core by the collapse of porosity in compression has been recognized as the limiting factor. In order to better understand the compaction mechanism in-situ spherical indentation tests were performed on foamed samples prepared from the board core. The results from the in-situ experiment show that a compacted zone develops under the indenter, displaying a very sharp boundary with the undamaged material that behaves elastically. To meet the need for estimating accurately the state of multiaxial strain that characterizes this transition, a new methodology is presented. It is an integrated digital volume correlation based on a library of fields adapted to the spherical indentation test and computed from commercial finite element software. Coupling in-situ mechanical tests, digital volume correlation and numerical simulations on the one hand, and integration a priori known information in the identification process on the other hand allowed us to identify a local failure criterion. The behavior of porous plaster was also characterized via homogeneous triaxial tests, by following different loading paths. The triaxial behavior of foamed plaster has been identified. The results are in agreement with those obtained via the identification procedure conducted on the spherical indentation tests.

Les éléments séparatifs à base de plaques de plâtre (cloisons, bloc-porte…) sont d’abord destinés à délimiter les espaces à l’intérieur d’une construction. Ils contribuent aux exigences essentielles pesant sur l’ouvrage en termes de sécurité en cas d’incendie, d’isolation thermique et acoustique. La réglementation française stipule que la vérification de la résistance au feu des ces éléments doit être vérifiée par des essais en vraie grandeur menées selon des procédures normalisées et qui sont souvent onéreux pour les industriels. De plus, la limite du four (5 m de hauteur et 7 m de largeur actuellement) pose un problème pour les fabricants quand ils veulent valider des cloisons plus grandes. Par conséquent, la tendance industrielle est de développer une méthode prédictive du comportement au feu des éléments séparatifs. Cette thèse présente une étude dans le cadre du projet de recherche de EFECTIS France, ce qui conduit à l'élaboration d'un modèle numérique capable de prédire le comportement thermo-mécanique des cloisons en plaques de plâtre se composant d’une ossature métallique vissée sur des parements en plaques de plâtre, quand elles sont soumises à une action thermique normalisée de EN 1363-1 sur une face. Dans cette étude, on présente d’abord des programmes d’essais qui permettent d’une part, d’identifier les propriétés thermo-physiques et thermo-mécaniques de plaques de plâtre cartonné, à température ambiante et à haute température, et d’autre part de caractériser la liaison cinématique de la fixation par vissage des parements en plaques de plâtre sur les montants acier de l’ossature interne, à température ambiante. En suite, on présente le développement des modèles thermique et mécanique avec le logiciel CAST3M en utilisant les paramètres mesurés lors des programmes d’essais sur les matériaux et les assemblages. Les modèles développés permettent de prendre en compte : (i) les phénomènes de transfert thermique par conduction, rayonnement et convection au travers d’une cloison - (ii) la chute du parement exposé de la cloison pendant l’essai - (iii) le comportement mécanique de la cloison elle-même, c'est-à-dire le comportement thermo-mécanique de ses éléments constitutifs (plaques de plâtre cartonné et montants métalliques) ainsi que celui des assemblages vissés des plaques de parements sur les montants d’ossature. / The fire resistance of building elements (partition walls, door sets ...) by means of tests according to standard procedures is often expensive for manufacturers. In consequence, Efectis France is conducting a specific research project aiming to develop an efficient and economical tool in order to carry out the preliminary design of new products as well as their optimization and extend the application of experimental results to configurations different from those of the test (change of size, of component, of boundary conditions ...). This thesis presents a study in the scope of above research project, which led to the development of a numerical model capable of predicting the thermo-mechanical behavior of separating elements such as flexible partitions made with internal steel studs and plasterboard facings, when they are subjected to standard thermal action of EN 1363-1 on one side. This study is organized in three steps. The first one is an experimental investigation relative to the characterization of thermo-physical and of thermo-mechanical properties of plasterboards used in above mentioned partition walls. In the second step, a specific numerical model for the analysis of plasterboard partition fire behavior is developed. This model allows treating not only nonlinear heat transfer but also the nonlinear structural behavior of the partitions from thermal stresses taking into account the degradation of rigidities for the punctual screwing of plasterboards on the steel studs. In the third step, the prediction of the numerical model is compared with experimental results in terms of temperature and displacements of the partitions. The comparisons enable to show the validity of the numerical model to predict appropriately the fire behavior of plasterboard partitions.

Dans le cadre de ce travail nous étudions le comportement thermomécanique d'une cloison légère faite de plaques carton-plâtre-carton (CPC) vissées sur une ossature métallique. Cette étude consiste d'une part à mener une analyse expérimentale pour identifier les propriétés thermiques, mécaniques et thermomécaniques des différents constituants de la cloison, et d'autre part, à développer un modèle analytique et un modèle numérique robuste du comportement thermomécanique non linéaire de cloisons légères soumises à un incendie naturel. Pour une modélisation robuste, nous avons d'une part développé un modèle du comportement thermomécanique de l'assemblage par vissage, et d'autre part développé un modèle global de la cloison légère en combinant, le modèle thermomécanique non linéaire du vissage, le modèle du comportement thermomécanique d'une plaque CPC et le modèle de l'ossature métallique. Comme il existe une grande variabilité dans les résultats expérimentaux, les incertitudes doivent être prises en compte. Pour ce faire, nous avons proposé d'utiliser un modèle probabiliste du comportement de l'assemblage par vissages

Dans le cadre de ce travail nous étudions le comportement thermomécanique d'une cloison légère faite de plaques carton-plâtre-carton (CPC) vissées sur une ossature métallique. Cette étude consiste d'une part à mener une analyse expérimentale pour identifier les propriétés thermiques, mécaniques et thermomécaniques des différents constituants de la cloison, et d'autre part, à développer un modèle analytique et un modèle numérique robuste du comportement thermomécanique non linéaire de cloisons légères soumises à un incendie naturel. Pour une modélisation robuste, nous avons d'une part développé un modèle du comportement thermomécanique de l'assemblage par vissage, et d'autre part développé un modèle global de la cloison légère en combinant, le modèle thermomécanique non linéaire du vissage, le modèle du comportement thermomécanique d'une plaque CPC et le modèle de l'ossature métallique. Comme il existe une grande variabilité dans les résultats expérimentaux, les incertitudes doivent être prises en compte. Pour ce faire, nous avons proposé d'utiliser un modèle probabiliste du comportement de l'assemblage par vissages / In this research, we study the thermomechanical behavior of a light partition wall made of carton-gypsum-carton (CGC) plates screwed to a metallic frame. This study consist firstly, to conduct an experimental analysis in order to identify the thermal, mechanical and thermomechanical propeties of the differents components of the light partition wall, and secondly, to develop an analytical model and a robust numerical model of nonlinear thermomechanical behavior of the partition walls subjected to natural fire. For a robust model, firstly, we developped a model of the thermomechanical behavior of the assembly by screws, and then developped a global model of the light partition wall by combining the nonlinear thermomechanical model of the assembly by screws, the model of the thermomechanical behavior of a CGC plate and model of the metal frame. As there is important variability in experimental results, the uncertainties must be taken into account. To do this, we proposed to use a probabilistic model of the behavior of the assembly by screw