To contribute to the development of sustainable composites, this work investigates the effects of moisture on the key AE characteristics related to the damage mechanisms of a bio-based balsa wood core sandwich in 4-point bending tests, including cumulative counts, amplitude, peak frequency, and duration. Novel triple dog-bone balsa wood core sandwich specimens with different MC (moisture content) were studied by comparing microscopic observations and a proposed two-step clustering approach in AE analysis. Three MC states, i.e., dry, 50% MC, and 120% MC, are discussed. GFRP (glass-fiber-reinforced polymer) laminate skin damages were found to be predominant in most GFRP–balsa sandwich specimens, but balsa wood core damages play a more important role as MC increases. The degradation of the bending stiffness of the sandwich was proven to be faster in the first linear stage of the moisture absorption curve, while the decrease in bending strength was more pronounced at the MC saturation level. Finally, for all of the dry and wet sandwich specimens, peak frequency and duration were proven to be more helpful in identifying damages associated with the lighter bio-based balsa wood core, such as balsa core damages and skin/core debonding.

Étude expérimentale et numérique des effets de l'humidité sur le comportement en flexion et les mécanismes d'endommagement des structures sandwichs composites par émission acoustique et thermographie infrarouge: Grâce à leurs propriétés spécifiques exceptionnelles aussi bien en rigidité qu’en résistance, à leurs faibles coûts, les structures sandwichs avec les peaux en composites stratifiés, telles que les panneaux en fibres de verre (GFRP)-balsa et en fibres de carbone (CFRP)-nid d'abeille, sont de plus en plus utilisées dans les industries maritimes et aéronautiques. Ce type de structures sont en général conçu pour supporter la charge de flexion, dont les peaux sont principalement sollicitées en traction et en compression due au moment fléchissant, tandis que l'âme est soumise à des contraintes de cisaillement transverses dues à l’effort tranchant. Les objectifs de cette thèse sont de caractériser expérimentalement et numériquement les effets de l'humidité sur les comportements de flexion et les mécanismes d'endommagement des structures sandwichs en fibres de verre-balsa et en fibres de carbone-nid d'abeille sous flexion 4 points, à l'aide de l'Emission Acoustique (EA) et de la Thermographie InfraRouge (TIR). Tout d'abord, grâce aux essais préliminaires de Hsu-Nielsen, une nouvelle méthode de détermination rapide de la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans toutes les directions a été proposée pour les structures sandwichs les plus couramment utilisées. Elle est basée sur des mesures de la vitesse dans la peau composite dans une seule direction. Ensuite, une nouvelle méthodologie est proposée pour prédire le module d'élasticité de la peau d’une structure sandwich humide basée sur les relations entre la teneur en humidité, la vitesse des ondes acoustiques et le module d'élasticité. Enfin, des essais de flexion statique 4 points suivis par TIR et EA ont permis de vérifier la bonne cohérence entre la réduction de la rigidité en flexion et la prédiction du module élastique du sandwich humide obtenu par la nouvelle méthode proposée. A l’aide de la technique EA, une approche de caractérisation des endommagements couplant les caractéristiques d'amplitude, de durée et de pic fréquentiel via l’algorithme K-means est également développée pour identifier la séquence des endommagements et classer les modes d’endommagement des structures sandwiches en flexion. Afin de prédire le comportement en flexion des composites sandwiches, les essais réalisés sont aussi modélisés numériquement par Abaqus en introduisant la variation des propriétés mécaniques en fonction de l’humidité absorbée, telles le module d'élasticité, la résistance et l'énergie de rupture. Il est démontré que la rigidité et la résistance en flexion, ainsi que le processus d'évolution des endommagements des structures sandwiches testées peuvent être correctement simulés par les modèles numériques développés. En plus, les localisations des endommagements obtenue grâce aux modèles numériques concordent bien avec les observations faites par la TIR et l’EA. Par conséquent, la fiabilité du modèle numérique et la faisabilité de la TIR et de l'EA pour identifier les mécanismes d'endommagement des structures sandwichs ont été démontrées. Les résultats obtenus dans ce travail fournissent une base essentielle pour un futur dialogue entre l'analyse expérimentale et numérique des structures sandwichs.

The objective of developing bio-based composite sandwich structures with greener core materials is to facilitate the decarbonization of industries such as aviation and maritime. This field of research has received increasing attention over the past decades. For example, balsa wood has emerged as a highly promising alternative to foam or honeycomb cores, offering a lightweight, rapidly renewable and cost-effective solution. However, plant fibers such as balsa wood and flax often display high hydrophilic behavior, which could affect their mechanical performance and long-term durability. It is therefore imperative to promote further research into the characterization of the cyclic hygrothermal aging behavior of balsa wood core sandwich structures, in particular the identification of moistureinduced strains and internal stresses in the skins and cores, as well as the investigation of moisture desorption processes and the associated thermal shrinkage phenomena in wood fibers, resins and glass fibers. Accordingly, this work employs two complete moisture absorption-desorption cycles to characterize the moisture diffusion behavior of specimens comprising three different materials, including the pure balsa wood, resin-infused balsa and balsa core sandwich structures with two Glass-Fiber-Reinforced-Polymer (GFRP) skins. The changes in moisture content and hygroscopic strains in the thickness, length and width directions of all specimens were investigated with a view to identifying the hygroscopic swelling and thermal shrinkage behaviors exhibited during long-term aging cycles.