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.

En réponse à une forte croissance démographique mondiale, et notamment africaine, il est nécessaire d’anticiper les besoins de la population en terme de bâtiment. Il s’agit alors de développer des matériaux alternatifs présentant des performances multi-physiques adéquates tout en ayant un faible impact sur l’environnement. Ce travail porte sur l’élaboration et la caractérisation de composites utilisables comme produits constructifs de partition (cloison, faux plafonds). La sélection des matières premières intègre des critères de développement durable, en considérant leur disponibilité locale mais également leur empreinte en terme d’épuisement des ressources (matériaux recyclés ou bio-sourcés). Les liants utilisés sont le plâtre, l’amidon de pomme de terre et l’amidon de manioc. Les charges sont la fibre de bois, la ouate de cellulose et les granules de papiers, pour une valorisation originale en matériau de construction. Les performances des composites développés sont évaluées d’un point de vue mécanique, hygrique, thermique et en terme de résistance au feu. Ces travaux ont montré la faisabilité et l’intérêt de tels composites. Ceux-ci peuvent notamment être utilisés pour leur qualité de régulateur hygrique et de correcteur thermique. / Due to strong global population growth, and particularly African, the population’s needs in terms of building have to be anticipated. The aim is to develop alternative materials with adequate multiphysical performances and low impact on the environment. This work investigates the elaboration and characterization of composites to be used as constructive partition products (partitions, false ceilings). The selection of raw materials takes into account sustainable development criteria, considering both the local availability of materials and their footprint in terms of resource depletion (recycled or bio-sourced materials). The binders used are plaster, potato starch and cassava starch. The loads are wood fiber, cellulose wadding and paper granules, for an original valorisation in building material. The performances of the developed composites are evaluated from a mechanical, hygric, thermal and fire resistance point of view. This work has shown the feasibility and the interest of such composites. These can in particular be used for their quality of hygric regulator and thermal corrector.

L'importante augmentation de fluage des plaques de plâtre en milieu humide est un vieux problème dans l'industrie du bâtiment, dont l'origine n'est pas encore établie. Afin d'en comprendre le mécanisme une étude à trois échelles (macro : réponse mécanique, micro : cinétique de dissolution et nano : observation atomique) a été réalisée. Une corrélation forte existe entre le fluage du plâtre en immersion et la cinétique de dissolution du gypse. La concordance de cette corrélation avec une loi de déformation par dissolution sous contrainte, très utilisés en géologie, permet de proposer la dissolution sous contrainte comme un des mécanismes responsables du fluage du plâtre en immersion. L'évolution de la topographie de la surface du cristal de gypse immergé dans une solution aqueuse de gypse est observée par microscopie à force atomique (AFM). La cinétique de migration des marches atomiques est très dépendante de la sous-saturation de la solution, de la force d'appui de la pointe de l'AFM ainsi que des additifs utilisés. L'étude de l'influence de la force d'appui sur les vitesses des marches met en évidence la présence de deux mécanismes complètement différents. A fortes forces (_ 15 nN) on observe un mécanisme d'usure de la surface, tandis qu'à faibles forces (_ 10 nN) le mécanisme observé semble être la dissolution sous contrainte. L'évolution des vitesses des marches atomiques avec la force appliquée par la pointe est concordante avec une loi connue de dissolution sous contrainte.

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

Le plâtre est un matériau de grande disponibilité et très connu pour ses qualités : il est favorable à la protection de l’environnement, assez malléable, de faible densité, aux propriétés fonctionnelles remarquables (coupe-feu, isolant thermique, régulateur de l’hygrométrie des enceintes), décoratif, ... Ce qui justifie l’intérêt accordé à ce matériau pour les constructions. Sa grande fragilité préoccupante est à l’origine des travaux de recherches dans le monde entier en vue de son renforcement. Les fibres de verre et de sisal sont les renforts les plus utilisés à ce jour. Le renforcement par des fibres végétales est de plus en plus recherché. La texture micro structurale poreuse du plâtre favorise son caractère d’isolant thermique. Les textures mises en œuvre jusqu’à présent sont limitées à des porosités comprises entre 30 et 55%. La réduction du coût de ce matériau pour une large utilisation est encore possible et souhaitée. Deux leviers sont exploités dans ce travail, notamment un allègement de la masse de plâtre pour augmenter le taux de porosité et un renforcement de la tenue mécanique par incorporation de fibres végétales produites localement. L’objectif de ce travail est d’évaluer les caractéristiques mécaniques, thermiques et hygrométriques d’un matériau constitué de plâtre pris, à grande porosité, renforcé d’une nouvelle fibre végétale : le Rhecktophyllum Camerunense (RC), une fibre des forêts humides équatoriales. La fibre de sisal, d’utilisation connue pour le renforcement du plâtre, sert de référence à des fins de comparaison. Une série d’expérimentations est menée à cet effet. Une caractérisation physico-chimique des constituants est effectuée, des essais mécaniques de traction et de flexion sont effectués sur les constituants et les matériaux composites plâtre/fibres résultants, la cinétique d’adsorption d’humidité par les constituants et le matériau fibreux est suivie. Le comportement thermique des matériaux plâtre et plâtre/fibres est aussi mesuré. Les fibres utilisées, le sisal et le RC, sont à fort taux de cellulose (entre 49 et 78,8%), la fibre de RC est tubulaire avec 35,5% de porosité. Le plâtre est gâché à l’eau déminéralisée à un rapport massique E/P égal à 1 à partir de la poudre de semihydrate β. Sa microstructure cristalline est constituée de cristaux de gypse sous forme d’aiguilles enchevêtrées avec des vides intercristallins. Sur le plan du comportement mécanique, les résultats obtenus révèlent que le plâtre se montre fragile et présente un module d’élasticité en traction de 1,72 GPa, une résistance à la traction de 0,86 MPa et un allongement à la rupture de 1,16%. En flexion trois points, son module d’élasticité est de 0,64 GPa et sa contrainte à la rupture, de 0,13 MPa. La fibre de sisal est raide et fragile. Son module d’élasticité est compris entre 9 et 21 GPa, elle admet un allongement à rupture de 3 à 7%. Par contre, la fibre de RC est assez ductile avec un module d’Young moyen de 0,7 GPa et un allongement à rupture de 24,2%. L’adhésion du plâtre sur les fibres est faible : il adhère plus sur le sisal que sur le RC. Le sisal renforce mieux le plâtre par une augmentation plus sensible du module d’élasticité de 42,5%, contre 16,3% pour le RC, ce dernier lui apportant plutôt une grande ductilité élastique. Les fibres de RC apportent le maximum de renforcement en traction au plâtre lorsqu’elles sont tissées en unidirectionnel et en flexion lorsqu’elles sont uniformément réparties dans le volume suivant la direction longitudinale de la structure. (...) / The plaster is a material of high availability and very known for its qualities : it is favourable to the protection of the environment, quite malleable, of low density, its functional properties are remarkable (firewall, thermal insulation, regulator of the hygroscopy of enclosures), decorative, ... What justifies the interest attached to this material for constructions. Its great alarming brittleness is at the origin of the research tasks in the whole world for its strengthening. The glass fibers and sisal are the more used reinforcements to this day. The strengthening by plant fibers is more and more researched. The microstructure of the plaster is porous ; that promotes its heat insulation character. The textures implemented so far are limited to porosities ranging between 30 and 55%. The reduction of cost of this material for a wide use is still possible and desired. Two levers are exploited in this work, in particular a lightening of the plaster weight to increase the proportion of air voids and a reinforcement of the mechanical resistance with locally produced fibers. The objective of this work is to evaluate the mechanical, thermal and hygrometrical characteristics of a material made up of harden plaster, with high porosity, strengthened by a new plant fiber : the Rhecktophyllum Camerunense (RC), a fiber of humid equatorial forests. The sisal fiber, of known use for the strengthening of the plaster, serves as a reference for comparison purposes. A serie of experiments is conducted to this effect. A physicochemical characterization of constituents is performed. Mechanical tests of tensile and of bending are performed on the constituents and the resulting plaster/fiber composite materials. The kinetic adsorption of moisture by the constituents is followed. The thermal behaviour of plaster and plaster/fiber is also measured. The fibers used, sisal and RC are with high rates of cellulose (between 49 and 78.8% ), the fiber of RC is tubular with 35.5 % of porosity. The plaster is dissolved in demineralized water to a mass ratio W/P equals to 1 from the powder of semihydrate β. Its crystalline microstructure is composed of gypsum crystals in the form of needles tangled with the empty intercristallins. As far as the mechanical behavior is concerne, the result reveals that the plaster is weak, its Young’s modulus in tensile is 1.72 GPa, its tensile strength is 0.86 MPa and its elongation at break is 1.16 %. In three points bending test, its modulus of elasticity is 0.64 GPa and its constraint at break is 0.13 MPa. The sisal fiber is stiff and fragile. Its Young’s modulus is between 9 and 21 GPa, it admits an elongation at break of 3 to 7 %. On the other side, the fiber of RC is quite ductile : the means of Young’s module is 7 GPa and the elongation at break is 24.2 %. The adhesion of the plaster on the fiber surface is low : it adheres more on the sisal than on the RC. The sisal strengthened better the plaster with a sensitive increase of the Young’s modulus of 42.5 %, against 16.3 % for the RC. But the RC fiber gives rather high elastic ductility. The fibers of RC deliver maximum capacity in tensile to the plaster when they are woven into unidirectional. They offer high capacity in bending when they are uniformly distributed inside the volume according to the longitudinal direction of the structure. (...)

Institué par décret du 21 décembre 1886, le premier « musée de moulages » universitaire français ouvre ses portes à la faculté des lettres de Bordeaux. En moins de vingt ans, des musées similaires fleurissent dans tous les grands centres universitaires français à Montpellier, Toulouse, Lille, Paris, Lyon, Nancy et des collections de moindre importance à Aix-en-Provence, Besançon, Caen, Dijon, Grenoble, Poitiers et Rennes. Copies de chefs d’œuvres de l’antiquité grecque et romaine, de spécimens égyptiens et orientaux, et d’œuvres d’art médiévales et renaissantes se côtoient dans un même lieu, au cœur des établissements d’enseignement supérieur. Ces musées sont le symbole de la profonde réforme de l’enseignement par le gouvernement français de la Troisième République, de l’institutionnalisation des disciplines archéologiques et d’histoire de l’art. Leur installation fut rendue possible par la vague de constructions publiques du XIXe siècle où des « palais des Facultés » ont été édifiés dans chaque grand centre universitaire français. Les locaux plus grands ont ainsi permis la mise en place de ces collections d’études, essentielles pour l’enseignement des disciplines dans la plus stricte rigueur scientifique, une rigueur développée par le système allemand qui possédait des collections similaires depuis près d’un siècle. Ces musées sont également les témoins de l’essor des découvertes archéologiques en Grèce et en Asie Mineure au XIXe siècle, des nouvelles études consacrées à l’Orient, l’Égypte, l’Espagne ibérique, de l’intérêt pour l’art renaissant et moderne qui prône le retour à l’antique, et de la réhabilitation de l’art médiéval dans les esprits de l’époque. S’intéressant à l’histoire des enseignements, de l’archéologie et du patrimoine, dans un contexte historique particulier, cette étude vise à retracer la constitution et à définir le(s) rôle(s) de ces collections de tirages en plâtre universitaires françaises dont il reste encore de nos jours de nombreux vestiges. / Created by a decree on the 21st of December 1886, the first university plaster casts museum opened its doors in the Faculty of Arts in Bordeaux. In less than 20 years, similar museums were created in all the most important French universities, such as Montpellier, Toulouse, Lille, Paris, Lyon, Nancy. Minor collections took place in Aix-en-Provence, Besançon, Caen, Dijon, Grenoble, Poitiers and Rennes. Copies of Greek and Roman antiquity masterpieces, Egyptian and Oriental specimens, medieval and modern works of arts were in the same place, in the heart of higher education institutions. These museums were the symbol of the deep educational reform by the French Third Republic government, of the institutionalization of archeology and History of Arts. The context of great public rebuildings in the late 19th century when many “Palais des Facultés” were created, enabled the blooming of these collections. Greater buildings enabled the settlement of these collections. These were essential for the study of these subjects with scientific rigor, developed by the German system which had similar collections for almost a century. These museums were also the window of the archeological discoveries in Greece and Minor Asia in the 19th century, of new studies about the East, Egypt and Spain Iberian, of interest in Renaissance and modern art, in the recovery of medieval art. This study aims at tracing the building of plaster cast collections and their role in the French universities. It takes place in a particular historical context and deals with several subjects such as History, archeology and heritage.

Le plâtre pris est couramment utilisé en construction, sous forme d'enduits ou d'éléments préfabriqués. Ses bonnes propriétés d'isolation thermique et acoustique, ainsi qu'une grande légèreté, le rendent particulièrement adapté à un emploi en intérieur. Peu d'études sont actuellement publiées sur le comportement mécanique du plâtre pris, seule la forte sensibilité de sa tenue mécanique avec la porosité est bien établie. Ce travail a pour objectif d'étudier les propriétés mécaniques du plâtre pris et de les relier à ses caractéristiques microstructurales. Le plâtre pris présente une microstructure complexe, formée d'un enchevêtrement de cristaux de gypse. La description de la microstructure est effectuée par un modèle numérique de placement de barres dans un volume. Le calcul des propriétés élastiques par la méthode des éléments finis sur ces modèles est en très bon accord avec les résultats expérimentaux. La loi de comportement du plâtre pris sec est linéaire élastique, mais l'étude de la propagation de fissures met en évidence des mécanismes de dissipation d'énergie dans le matériau. Un modèle de propagation est développé, basé sur l'interaction de la fissure avec les différents éléments de la microstructure, permettant d'interpréter le comportement expérimental. L'influence de l'eau sur le plâtre pris est considérée dans la dernière partie. L'eau entraîne une diminution des propriétés mécaniques, pouvant s'expliquer par un affaiblissement de la qualité de la liaison entre cristaux. Des essais originaux de frottement intérieur permettent de caractériser l'apparition de glissements entre cristaux de gypse, à l'origine de la non-linéarité du comportement mécanique. La sensibilité de la déformation du matériau à la vitesse de sollicitation est établie et interprétée par un modèle de comportement des contacts.

L'objectif de cette thèse porte sur le développement de nouveaux moyens de caractérisation mécanique de matériaux poreux inorganiques. La technique de microindentation instrumentée avec indenteur sphérique a été utilisée pour déterminer les propriétés mécaniques du plâtre pris, utilisé comme matériau modèle, à deux porosités différentes (30 et 60%vol). Les méthodes analytiques, développées initialement en nanoindentation, ont permis d'extraire la dureté et le module d'élasticité des deux matériaux, ainsi que les courbes contrainte-déformation d'indentation. Une méthodologie d'essai a été notamment détaillée afin de pouvoir appliquer cet essai d'indentation sphérique à l'étude de céramiques à forte porosité. Une approche numérique a permis de compléter les méthodes analytiques et d'identifier une loi de comportement élastoplastique pour le matériau modèle. Un modèle éléments finis 2D-axisymétrique a ainsi été développé pour simuler les essais d'indentation sphérique. Un module d'indentification inverse, MIC2M, a ensuite été utilisé pour identifier les paramètres associés au critère de Drücker-Prager (cohésion, frottement et dilatance) pour minimiser l'erreur entre la courbe expérimentale et numérique. La simulation de l'indentation Vickers, ainsi que des essais de compressions uniaxiaux et œdométriques ont permis de valider les paramètres matériaux identifiés par indentation sphérique. L'utilisation des techniques de tomographie aux rayons X et de microscopie électronique à balayage (MEB) a permis de mettre en évidence une densification du matériau au cours de l'indentation. Aucune fissure macroscopique fragile n'a par contre été observée, confirmant les différences de comportement mécanique entre des céramiques à fort taux de porosité et des céramiques denses. La méthodologie ainsi développée a ensuite été appliquée au cas d'une céramique biorésorbable à base de phosphate de calcium, famille de matériaux largement utilisée pour la substitution osseuse. Des cylindres de ciments brushitique ont subi un vieillissement in vitro d'une durée maximale de deux mois dans une solution de Phosphate Buffered Saline rafraichie. La méthode de microindentation a permis de suivre l'évolution des différents paramètres mécaniques au cours de la cinétique de dégradation des ciments. Les résultats ont montré une bonne corrélation entre les évolutions des propriétés mécaniques et physicochimiques des échantillons, suivies par diffraction des rayons X et MEB. Ainsi, après une dissolution initiale du ciment, la précipitation de nouvelles phases de phosphates de calcium plus stables a entraîné une augmentation des caractéristiques mécaniques en cours de vieillissement, mesurées par indentation. Cette méthode d'essai semble donc être un outil prometteur pour le suivi des propriétés d'explants biomédicaux et, plus généralement, des céramiques à fortes porosités.

Dans cette recherche est étudié le comportement mécanique des ouvrages en plaques de plâtre sur ossature métallique. Cette étude est basée sur une analyse par la méthode des éléments finis, et a nécessité le développement de deux modules spécifiques intégrés au code de calcul "MARC". L'alimentation du modèle en paramètres a nécessité une étude expérimentale importante. Les constituants de plaque de plâtre (cartons et plâtre) présentent des caractéristiques différentes entre leur état vierge et après passage par le processus de fabrication. Une stratégie d'identification globale pour la plaque composite a été adoptée, elle consiste à la considérer comme un matériau homogène équivalent et par conséquent le développement d'un modèle spécifique de plasticité généralisée "GENSTR" pour traiter la non linéarité matérielle. La prise en compte des problèmes de conditions aux limites variables introduites d'une part par les assemblages vissés, et d'autre part par les phénomènes de contact et frottement aux interfaces "plaques-montants", a été effectuée en les modélisant par des ressorts qui intègrent les relations spécifiques ainsi que des conditions de pénalisation. Ceci a nécessité le développement d'un deuxième module nommé "USPRING". L'ensemble de ces approches constitue un modèle adéquat pour simuler le comportement mécanique des cloisons en plaques de plâtre. Une validation du modèle a été effectuée en confrontant les résultats du calcul aux résultats expérimentaux, cette confrontation a donné une concordance assez satisfaisante. Ce travail servira de base à la proposition de méthodes de dimensionnement simplifiées pour ce type d'ouvrages et autres ouvrages similaires (contre-murs, plafonds suspendus...) en plaques de plâtre.