Résistance à la compression de la boîte

Résistance à la compression de la boîte
Résistance à la compression de la boîte
Généralement, les boîtes en carton sont empilées durant
le transport et le stockage, ce qui les soumet à un effort de
compression. La recherche d’un emballage plus efficace
impose que le carton assure une meilleure protection,
car le suremballage est souvent éliminé complètement
ou remplacé par d’autres matériaux comme les plastiques thermorétractables. L’exigence de résistance à la
compression de la boîte (protection physique), dépend de
nombreux facteurs :
• la structure du carton, c’est-à-dire sa taille et ses dimensions, les zones portantes de la structure, la conception
des rabats et l’orientation du remplissage
• le fait que le contenu serve ou non de support à
l’emballage
• le type d’emballage secondaire (transport)
• les méthodes et conditions de transport (palettisation,
empilage, conditions climatiques)
• les propriétés du matériau : rigidité et résistance à la
compression du carton.
D’une manière générale, c’est l’expérience qui guide
le choix de la conception d’ensemble et de la qualité du
carton. Pour éviter tout dommage ultérieur, on applique
fréquemment des coefficients de sécurité au moment du
choix du carton. Cette pratique conduit souvent à une
surenchère d’exigences, par manque d’informations et de
connaissances des conditions réelles. À l’heure actuelle,
on reconnaît l’importance de l’emballage et la nécessité
de préserver les ressources. La mise au point de solutions
économiques et fonctionnelles est plus importante que
jamais.
extérieures : protéger le contenu et parvenir intact chez le
consommateur. Le mode de sollicitation et sa durée ainsi
que les conditions climatiques sont importants.
Propriétés mesurables
Résistance à la compression (essai sur portée courte)
La résistance à la compression est la force de
compression maximale par unité de largeur qu’un
échantillon de carton peut supporter sans flambage
ni flexion, pendant un essai de compression. Le
résultat s’exprime en kN/m.
Lorsqu’on empile des emballages en carton, la
charge maximale est évidemment localisée dans
la rangée du dessous et on peut évaluer le risque
d’écrasement. La propriété importante dans ce cas
est la résistance à la compression.
.ÄUIPEFEnFTTBJFUNBUÄSJFM
On fixe une bande en carton de 15mm entre deux
pinces de façon que la longueur libre entre les
pinces ne soit que de 0,7 mm, pour éviter la flexion
élastique. L’échantillon est alors comprimé jusqu’à
écrasement et on note la valeur maximale de la force
appliquée.
0.7 mm
Flambage, pas
compression
Propriétés déterminantes
La résistance à la compression montre une corrélation
avec la densité ou la teneur en pâte chimique semblable
à celle de la résistance à la traction.Plus la densité et la
quantité de pâte chimique sont grandes, plus la résistance
à la compression est élevée.
Pour que le carton ait un rendement optimal à chaque
stade, de la ligne de conditionnement au consommateur,
il s’agit de trouver le bon compromis entre la conception
de l’emballage et les qualités du carton. Le carton doit
résister à divers types de sollicitations et manipulations
RÉSISTANCE À LA COMPRESSION
Essai de résistance à la compression
Sollicitation et manipulation
Types de charges :
Charges ponctuelles
Charges uniformément réparties
Chocs – impacts, température/humidité
Effets sur le carton :
Flambage
Altération ou destruction de la forme
Détérioration des angles
Destruction ou perte du contenu
138
Guide Pratique d'Utilisation du carton | I G G ES U N D PAPE R B O AR D
Résistance à la compression de la boîte
On peut classer ces charges en deux catégories : les
charges à coefficient de déformation constant (figure A)
ou charge constante se prolongeant pendant une longue
période (figure B). En relevant les charges et les durées
jusqu’à rupture, on peut tracer les courbes d’espérance
de vie (figure C). En réalité, la charge de compression de la
boîte est plusieurs fois inférieure à celle du test « statique »
(figure A). Pour cette raison, il est fréquent d’adopter des
coefficients de sécurité de 2 à 5.
Il n’existe pas encore de méthode simple, précise et
fiable qui permette raisonnablement de mesurer et de prédire la longévité des boîtes. On connaît bien les paramètres qui interviennent – type de matériau, dimensions de la
boîte, charge et conditions climatiques – mais pas encore
assez précisément pour pouvoir calculer l’espérance de
vie d’un emballage.
Parmi les méthodes utilisées, certaines sont bien documentées et relient la résistance à la compression de la
boîte en carton aux propriétés du matériau.
L’essai de compression habituel (illustration A) consiste
à comprimer progressivement la boîte entre deux plateaux
parallèles. Cependant, au fur et à mesure du développement du renflement des panneaux, la répartition de la
charge, initialement uniforme, se redistribue différemment.
Peu de temps avant la rupture, l’essentiel de la charge est
supporté par deux bandes étroites dans les angles où le
renflement est contrecarré par la configuration géométrique (voir la figure ci-dessous).
Des recherches ont montré qu’il était permis de simplifier l’essai comme sur les figures B et C, en le limitant
à un seul angle ou un seul panneau pour autant que
l’échantillon soit supporté sur toute sa longueur et que ses
dimensions s’inscrivent dans certaines limites.
Le choix du carton
La résistance à la compression de la boîte est une
propriété complexe. Parce qu’elle dépend principalement de la conception de la boîte, un essai en conditions
réelles fournira les enseignements les plus précieux pour
le choix du carton. On prendra pour base les résultats
des mesures de rigidité et de résistance à la compression
(portée courte) pour évaluer la résistance à la compression de la boîte. En raison des écarts entre les conditions
de l’essai et la réalité, on appliquera des coefficients de
sécurité.
Caractéristiques de la résistance à la
compression de la boîte
Pour décrire la protection procurée par un emballage,
on utilise un certain nombre de termes qui ne sont pas
tous définis. Les définitions suivantes sont couramment
admises :
Résistance à la compression
de la boîte FB :
Charge maximale qu’un
étui de taille et de dimensions données) peut supporter. Unités = N.
Résistance à la compression
(portée courte) FC :
Charge maximale (intrinsèque) que le carton peut
supporter par unité de
largeur. Unités = kN/m.
Rigidité R :
Résistance à la flexion.
Unités = Nm.
L’équation suivante décrit leur relation :
FB = K × FCa × Rb (K, a et b sont des constantes)
DÉFORMATION %
B
Pendant le transport et le stockage, la boîte sera soumise
un certain temps à des charges dynamiques.
TEMPS
Charge Max, FB
C
CHARGE
CHARGE, N
A
Rupture par
Compression
failure compression
DÉFORMATION %
TEMPS
Charge constante = essai de longévité/stockage
-FTFTTBJTIBCJUVFMTEFSÄTJTUBODF»MBDPNQSFTTJPOEFMBCPÉUF
Les tests de longévité sont réalisés en consignant le temps écoulé
TPOUSÄBMJTÄT»UBVYEFEÄGPSNBUJPODPOTUBOU
BWBOUMBSVQUVSFQBSDPNQSFTTJPOTPVTMnFGGFUEFEJGGÄSFOUFTDIBSHFT
DPOTUBOUFTFTTBJEFçVBHFTFMPOMBDPVSCFTVQÄSJFVSF
I G G E SU N D PA PE R B O AR D | Guide Pratique d'Utilisation du carton
139
Résistance à la compression de la boîte
Évaluation de la résistance à la compression de la boîte
En combinant les résultats des tests et les théories de la
physique, on a montré que la résistance à la compression du panneau de carton est donnée par l’expression
suivante :
La résistance à la compression FP d’un panneau de carton
devient alors :
FP ≈ 2π × √FC √RSM x RST
≈ 6,28 × √FC √RSM × RST
FP = c × √FC √RSM × RST
Et, pour une boîte complète à 4 panneaux, 4 × FP :
FP = résistance à la compression du panneau
FB = 4FP ≈ 8π × √FC √RSM × RST
FC = résistance à la compression (portée courte) dans la
direction de la charge
RSM = rigidité SM
RST = rigidité ST
c = Constante
√RSM × RST = moyenne géométrique des rigidités
En simplifiant les conditions géométriques et la dimension
du panneau, on a trouvé que, dans une certaine gamme
de dimensions, la constante c avait une valeur d’environ
2π ou 6,28. La taille minimum du panneau est de 60 x 90
mm environ (largeur x hauteur). Si le panneau est plus
petit, le renflement diminue et la relation ci-dessus n’est
plus valable.
La résistance à la compression de la boîte est fonction de
la rigidité et de la résistance à la compression.
La figure ci-dessous exprime la relation entre la résistance
à la compression mesurée sur le panneau et la résistance
estimée à partir des mesures de résistance à la compression sur échantillon court et de la rigidité du carton et en
appliquant les formules ci-avant. On constate l’excellente
concordance des résultats.
En s’appuyant sur ces simplifications, il est possible de
quantifier l’influence des propriétés mesurées du carton –
résistance à la compression (portée courte) et rigidité – sur
la résistance à la compression du panneau et la résistance
à la compression de la boîte. Il faut également tenir
compte du fait que la taille de la boîte et la conception des
rabats ont une grande influence sur les résultats réels.
COMPRESSION DE LA BOITE
RÉSISTANCE À LA COMPRESSION
A. Essai de compression
de la boîte (écrasement)
B. Essai de compression
des angles (écrasement)
C. Essai de compression
d’un panneau (écrasement)
D. Essai de compression
à portée courte
3ÄTJTUBODF»MBDPNQSFTTJPOEFMBCPÉUFrNÄUIPEFTEnFTTBJ
FAIBLE
RIGIDITÉ
FORTE
3ÄTJTUBODF»MBDPNQSFTTJPOEFMBCPÉUFr*NQPSUBODFSFMBUJWFEF
la résistance à la compression et la rigidité – variation suivant la
UBJMMFEFMBCPÉUF
140
Guide Pratique d'Utilisation du carton | I G G ES U N D PAPE R B O AR D
Résistance à la compression de la boîte
La figure ci-dessous illustre l’importance relative de la
taille de la boîte. Avec les boîtes de petites dimensions,
le renflement des panneaux est de faible amplitude ou
nul, preuve que seule la résistance à la compression
du carton a de l’importance (la rigidité ne joue qu’un
rôle mineur). Par contre, les boîtes à panneaux de très
grandes dimensions subissent davantage l’influence de
la rigidité que de la résistance à la compression.
Lors de la comparaison de différents matériaux, on se
rappellera qu’il est impossible de trouver des matériaux
offrant à la fois rigidité et une résistance à la compression
maximales.
Propriétés déterminantes
La résistance à la compression d’une boîte est déterminée par la résistance à la compression du carton (portée
courte) et la rigidité. Les recherches fondamentales et
expérimentales ont démontré que, dans certaines limites,
il était possible de prévoir le comportement à la compression en se fondant sur la résistance à la compression
et la rigidité. Ceci signifie que ces expressions peuvent
être utilisées pour comparer différents types de carton.
Remarque importante : il n’existe pas encore de méthode
de prédiction du comportement à long terme des boîtes
soumises aux charges de compression qui apparaissent
durant le stockage et le transport.
DENSITÉ. QUANTITÉ DE PÂTE CHIMIQUE
RIGIDITÉ
C
RÉSISTANCE À LA COMPRESSION
C
0
100%
-BDIBSHFTFDPODFOUSFEBOTEFT[POFTÄUSPJUFTMFMPOHEFTBOHMFT
3BQQPSUFOUSFMBRVBOUJUÄEFQ½UFDIJNJRVFFUSÄTJTUBODF»MB
DPNQSFTTJPOFUSJHJEJUÄ
6 cm
150
9 cm
Résistance à la Compression du panneau (mesurée) N
200
100
50
0
0
5
10
15
20
25
Résistance à la Compression du panneau calculée par la formule
30
F
C
R
SM
xR
35
ST
N
3ÄTJTUBODF»MBDPNQSFTTJPOEVQBOOFBVDPNQBSBJTPONFTVSFDBMDVM
I G G E SU N D PA PE R B O AR D | Guide Pratique d'Utilisation du carton
141