poutre sandwich

Une poutre sandwich est un élément structurel composé de deux couches externes relativement minces, appelées parements, collées à une âme interne beaucoup plus épaisse. Les parements sont généralement faits d'un matériau solide et rigide tel que l'acier, l'aluminium ou un stratifié composite, tandis que l'âme est habituellement un matériau de faible densité comme la mousse, le bois de balsa ou une structure en nid d'abeille. L'âme est perpendiculaire aux parements et ne supporte pas directement les charges de flexion, mais maintient plutôt la distance entre les parements, ce qui est essentiel à la résistance de la poutre à la flexion.

L'efficacité d'une poutre sandwich provient de la mécanique des sections composites. La résistance à la flexion dépend du moment d'inertie, qui augmente avec la distance du matériau par rapport à l'axe neutre. En plaçant un matériau rigide loin du centre et en remplissant le milieu avec un matériau léger, les ingénieurs obtiennent des rapports résistance/poids élevés. Une poutre sandwich de 200 mm de profondeur avec des parements en acier de 5 mm et une âme en mousse fléchira beaucoup moins qu'une poutre en acier massif de poids égal, ce qui rend la construction sandwich précieuse dans les applications aérospatiales, marines et automobiles où la réduction de poids est importante.

Les matériaux d'âme courants comprennent la mousse phénolique, la mousse de polyuréthane, le polyisocyanurate rigide (PIR) et le nid d'abeille en aluminium. Les âmes sont sélectionnées en fonction de leur densité, de leur résistance au cisaillement et de leurs propriétés thermiques. Une âme en nid d'abeille peut avoir une densité de 40 à 100 kg/m³, tandis que la mousse rigide varie de 30 à 150 kg/m³. La liaison parement-âme est critique ; la défaillance commence souvent par un délaminage où les parements se séparent de l'âme, généralement causé par un impact, une infiltration d'humidité ou une contrainte de cisaillement excessive aux bords ou autour des découpes.

Applications et limites

Les poutres sandwich apparaissent dans les pales d'éoliennes, les panneaux de fuselage d'aéronefs, les systèmes de plancher composite et les bateaux de course haute performance. Dans les bâtiments, les systèmes de panneaux sandwich sont utilisés pour les murs-rideaux et les planchers modulaires. Cependant, la construction sandwich est coûteuse par rapport aux sections massives, et le processus de fabrication nécessite des conditions de liaison contrôlées et un contrôle qualité. L'écrasement de l'âme, le désaccord de dilatation thermique entre les parements et l'âme, et l'absorption d'humidité de certaines mousses peuvent réduire la durée de vie si ces facteurs ne sont pas gérés.

Le terme reflète la structure en couches : les parements sont le pain, l'âme est la garniture. Les poutres sandwich se distinguent des stratifiés composites, qui sont constitués de plusieurs fines couches de matériau similaire empilées, et des poutres composées telles que les poutres en I soudées, qui utilisent des semelles et des âmes discrètes plutôt qu'un matériau d'âme continu.