Mixed FE solution of the layerwise model M4-5n with emphasis on embedded discontinuities

CFRAC2017, Fifth International Conference on Computational Modeling of Fracture and Failure of Materials and Structures, NANTES, FRANCE, 14-/06/2017 - 16/06/2017A general solving method for the plate-type model called M4-5n, relying on mixed finite elements is presented hereafter. In particular, we explain how embedded discontinuities in a multilayer pavement structure can be easily taken into account using the numerical approach developed... As an illustration, the approach developed is used to simulate the mechanical response of a pavement structure with cracks on which a full-scale accelerated fatigue test was performed

Influence of sliding interfaces on the response of a layered viscoelastic medium under a moving load

This article presents a method to compute the response of a viscoelastic layered half-space to a moving load when interlayer slip is considered. The Navier equations of equilibrium are solved for each layer in the frequency domain. The solution in the spatial coordinate system is subsequently obtained by means of Fast Fourier Transform and quadrature rules applied to integrable singularities. Following the global solution technique, the developed method compiles all the interface and the boundary conditions within a global matrix and it solves a unique linear system per couple of wave numbers. This method proves to be effective and is validated in an elastic case by comparison with the ALIZE-LCPC software that implements the Burmister axisymmetric solution. The influence of the interface sliding condition on the response of a layered viscoelastic medium is studied through an application to pavement structures. In this application, the effect of the load speed on vertical and horizontal profiles of the longitudinal strain and the normal stress is analyzed. It is shown, inter alia, that the maximum extension in the medium is not systematically observed at the location of an interface and that, as expected, low speeds and interlayer slip are more damaging to the structure when either a strain or a stress criterion is considered

Modélisation de la réponse dynamique d'une structure ferroviaire multicouche sous chargement roulant

Cet article expose un modèle 3D permettant de calculer la réponse réversible d'une structure ferroviaire avec prise en compte des efforts d'inertie et de l'interaction rail/blochet/structure de voie. Le comportement des couches de la structure est élastique ou viscoélastique. Le chargement ferroviaire est décomposé en ondes de chargement circulant à des vitesses distinctes. La réponse dynamique à chacune de ces ondes est calculée semi-analytiquement. La recombinaison de chacune de leur contribution conduit à la réponse globale analysée en termes d'historiques de contraintes et d'accélérations

Solar hybrid road: from concept to modeling and lab scale mock-up experiments

TRA 2018, 7th Transport Research Arena, Vienne, AUSTRALIE, 16-/04/2018 - 19/04/2018We present in this paper the concept of solar hybrid road and the numerical model studied and develop to compute its thermal state at any time step. The aim of these new structures is to collect part of the solar radiation during the summer period, to prevent from icing at the surface during the winter period. As it is reversible, it will help also to prevent from a too high structure temperature (in particular closed to the surface) in summer season. Two types of modifications, compared to traditional structures are presented. The first one concerns the insertion of a porous layer allowing a heat fluid to exchange thermal energy. The second one concerns the use of a semi-transparent material at pavement surface allowing the solar radiation to penetrate deeper in the structure. The numerical model of this multi-physics problem develop with the finite element method is presented and discussed. A validation on two test cases is proposed. First results on energy harvesting evaluation for few locations (i.e. climatic conditions) in France are presented and discussed. Finally, conclusion and perspectives are proposed

Étude numérique de la résolution du couplage convection/radiation/diffusion dans une structure de chaussée hybride

International audienceDans cette étude, nous évaluons par modélisation numérique les apports énergétiques susceptibles de se produire dans une structure de chaussée routière hybride revêtue d'une couche de roulement semi-transparente ou opaque collée sur une couche de base poreuse, siège d'une circulation de fluide caloporteur. Les études numériques conduites proposent une résolution couplée de différents phénomènes thermiques : diffusion/convection dans le cas d'une chaussée drainante opaque en surface, et diffusion/convection/radiation pour une chaussée avec un revêtement semi-transparent. Les systèmes d'équations couplées sont résolus numériquement à l'aide de la méthode des éléments finis. Ce modèle a été développé directement sur un noyau Matlab c. Une discussion sur les résultats obtenus est proposée suivie d'une conclusion et de perspectives

Étude d’une loi de commande optimale pour le contrôle en température d’une structure de route solaire hybride

International audienceL'étude présentée vise à optimiser la quantité d'énergie à apporter à une route solaire hybride pour éviter la formation de verglas en surface. La loi de commande optimale étudiée s'appuie sur un modèle multiphysique aux éléments finis, élaboré pour calculer le champ de température dans la structure dans des conditions environnementales variables. Une pénalisation des périodes de gel à la surface est introduite et l'énergie à fournir au système pour l'en préserver est calculée à partir de la méthode de l'état adjoint. Les résultats obtenus pour trois localisations en France (i.e. climats) sont discutés et analysés. Nomenclature B luminance énergétique d'un corps noir [W.m −2 .sr −1 ] h coefficient d'échange [W.m −2 .K −1 ] k conductivité thermique [W.m −1 .K −1 ] L luminance énergétique [W.m −2 .sr −1 ] n normale extérieure t temps [s] T température [K] T min seuil de température [K] ε émissivité κ coefficient d'absorption [m −1 ] λ longueur d'onde [µm] Ω domaine spatial étudié Φ s flux solaire [W.m −2 ] ρc capacité thermique [J.m −3 .K −1 ] σ coefficient de diffusion [m −1 ] ϑ direction dans la sphère unité a , c indices relatifs à l'air et au ciel ν fréquence [Hz

Multi-physics fem model of solar hybrid roads for energy harvesting performance evaluation in presence of semi-transparent or opaque pavement surface layer

IHTC 2018, 16th International Heat Transfer Conference, Beijing, CHINE, 10-/08/2018 - 15/08/2018We present in this paper the concept of solar hybrid road and focus on the thermal performances of such system. Main differences between these multi-layer structures with traditional road structures come from the pavement surface, which can be opaque or semi-transparent and the porous sub-layer, submitted to fluid flow. These structures aim at collecting solar energy during the summer season, what helps also to prevent from a too high temperature and urban heat island effect. A finite element model is presented to couple thermal diffusion, hydraulic convection and radiative transfer. This numerical model allows to compute the temperature field for different weather conditions and also to evaluate the thermal performances of the system. Annual simulations are performed and a comparison between two surface layer solutions for different locations and climates is presented and discussed

Solar hybrid road: from numerical model to an energy balance in France

International audienceIn this study, we evaluate the energy to bring to a solar hybrid road system to prevent it from icing at the surface. To estimate the thermal performances, a multi-physics finite element model is introduced to compute the temperature field from environmental conditions. From this model, the adjoint state method is used to solve an optimization problem taking into account a penalization of frozen periods and the energy brought to the system. Results obtained for different climatic conditions in France are presented, analyzed and discussed

Essais de fluage confinés et thermorégulés sur enrobés bitumineux : expérimentation et modélisation

Pour étudier les déformations permanentes des enrobés bitumineux, un essai triaxial thermorégulé à pression de confinement constante a été developpé. Des essais de fluage à contrainte imposée ont permis d'étudier l'influence des paramètres pression de confinement, déviateur de contraintes et température sur le comportement des enrobés. Ils ont aussi permis de valider le principe d'équivalence temps température en grandes déformations. Un modèle élasto-visco-plastique pouvant être intégré dans un calcul structurel, a été développé pour simuler les essais de fluage

Etude expérimentale et numérique du comportement de l'enrobé bitumineux partiellement saturé en eau à température variable

Des apparitions de séries de nids de poule ont été observées dans les enrobés bitumineux (EB) lors des derniers hivers, caractérisés par des événements successifs de la pluie et de la température négative. Un mécanisme spécifique lié au comportement de l'EB contenant de l'eau à basse température est considéré comme le responsable de l'apparition de ces dégradations. Dans ce contexte, deux types d'essais expérimentaux ont été investigués pour la compréhension du comportement de l'EB partiellement saturé d'eau et soumis à des variations de température inférieures à zéro degré Celsius. Ceux-ci ont été effectués respectivement en condition de traction libre, mais aussi de déplacement nul. La déformation est mesurée alors que la température diminue. Les résultats expérimentaux montrent l'existence d'une déformation de gonflement et d'une contrainte induite due au changement de phase de l'eau du liquide au solide. Ces résultats sont présentés dans cet article et les essais sont modélisés en utilisant une loi thermo-viscoélastique avec une déformation de gonflement supplémentaire