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.

Essai de résistance à la compression.
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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.

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 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.

Méthode d’essai et matériel
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.


Sollicitation et manipulation
  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
       

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:


Pendant le transport et le stockage, la boîte sera soumise un certain temps à des charges dynamiques.
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 géomé-trique (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.

Les essais habituels de résistance à la
compression de la boîte sont réalisés à
taux de déformation constant.

 

Les tests de longévité sont réalisés en consignant
le temps écoulé avant la rupture par compression
sous l’effet de différentes charges constantes,
essai de fluage selon la courbe supérieure.
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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:

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 FP d’un panneau de carton devient alors:

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.

Résistance à la compression de la boîte –
méthodes d’essai.

 

Résistance à la compression de la boîte –
Importance relative de la résistance à la
compression et la rigidité – variation suivant
la taille de la boîte.
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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.

La charge se concentre dans des zones étroites
le long des angles.

Rapport entre la quantité de pâte chimique et
résistance à la compression et rigidité.

Résistance à la compression du panneau, comparaison mesure-calcul.
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