Rupture et comportement mécanique couplé des matériaux : application au bois et aux composites Présentée par

La fissuration et le comportement couplé des matériaux et des structures sont abordés dans ce mémoire. Tout d’abord, la synthèse de mes activités d’enseignant-chercheur est présentée dans le premier chapitre. Les recherches effectuées ont donné lieu à 28 articles dans des revues internationales à comité de lecture. Le deuxième chapitre présente les travaux sur les comportements viscoélastique, mécanosorptif et hydromécanique du bois (Sapin blanc du Massif Central). L’existence du comportement hygroverrou du bois est justifiée par des essais expérimentaux, des calculs analytiques et numériques. Les approches développées sont ensuite généralisées à des cas 3D. Enfin, la méthode de la grille est utilisée pour l’étude du comportement hydromécanique du bois de printemps et d’été. Le troisième chapitre présente les travaux sur la fissuration des matériaux intelligents et composites, des matériaux et structures treillis en bois ainsi que la fissuration des rondelles de bois suite à la dessiccation. La rupture aux interfaces des bi- matériaux piézoélectriques est étudiée en calculant les facteurs d’intensité de contrainte et électrique. Egalement, l’éprouvette Mixed Mode Crack Growth (MMCG) est optimisée et adaptée à la méthode de grille en mode I. Aussi, la rupture et le comportement semi-rigide des poutres treillis sont étudiés par la méthode de la grille. La fissuration des rondelles bois lors du séchage est également analysée en comparant les données expérimentales et numériques. Dans ce cadre, l’effet de la viscoélasticité sur l’initiation de la fissure est démontré. Le dernier chapitre présente les travaux en cours liés en partie au projet ANR JCJC CLIMBOIS qui s’intéresse à la fissuration du bois en environnements variables couplée à la fiabilité. La validité des approches est assurée par l’indépendance du domaine d’intégration autour de la pointe de fissure statique et en propagation. Les résultats montrent la capacité du modèle à séparer les modes mixtes de rupture en environnements variables. Parallèlement, la fiabilité et les méthodes statistiques sont appliquées afin d’étudier la probabilité de ruine et connaître les paramètres les plus discriminants dans le processus de fissuration

Mixed-Mode Crack Growth in Wood

In timber elements the mixed mode dependsessentially of wood anatomy and load configuration.In these conditions, in order to evaluate the materialbehavior and the fracture process, it’s necessary toseparate the part of each mode. The mixed modeseparation allows evaluating the amplitude offracture mode. In the present paper, using a mixedmodecrack growth specimen made in Douglas fir,the mixed mode crack growth process is studythanks to marks tracking method. Using the markstracking method the characteristic displacementsassociated to opening and shear mode aremeasured. From the experimental measurements,the energy release rate associated to opening andshear modes is calculated into to account the crackadvancement during the test

Fissuration polymodale dans les matériaux viscoélastiques orthotropes

Ce travail présente une approche numérique de l’amorçage et de la propagation de fissure en mode mixte dans un milieu viscoélastique. Le modèle numérique couple un algorithme de résolution du comportement viscoélastique à l’intégrale M permettant le découplage de mode en termes de facteur d’intensité de contrainte et de taux de restitution d’énergie. L’application numérique repose sur l’utilisation d’une éprouvette 2MCG permettant, à la fois, d’avoir différents taux de mode mixte et une stabilité de la propagation de fissure. Implémenté dans un code aux éléments finis, l’algorithme général permet de modéliser la propagation du front de fissure en simulant la décohésion progressive des lèvres dans une zone dégradée appelée zone d’élaboration. Sa taille est redéfinie en prenant en compte un champ de contrainte de mode mixte dans la zone singulière autour du front de fissure. Enfin, la vitesse de propagation est déterminée par un calcul dichotomique de l’incrément de temps nécessaire à la progression de la fissure

Découplage expérimental et numérique du taux de restitution d’énergie dans le matériau bois

Une nouvelle éprouvette bois appelée 2MCG (Mixed Mode Crack Growth), permettant une propagation instantanée de la fissure en mode mixte est proposée. Cette géométrie découle d’une combinaison des éprouvettes DCB (Double Cantilever Beam) et CTS (Compact Tension Shear). Grâce à une parfaite synchronisation des outils optiques et de la presse, les forces, les déplacements et les longueurs de fissure  correspondantes sont obtenus. Ainsi, les taux de restitution d’énergie expérimentaux découplés sont calculés à l’aide de la méthode de la complaisance et comparés aux prédictions découlant d’un calcul élément finis via l’intégrale indépendante M

Analyse fiabiliste du taux de restitution d'énergie en milieux viscoélastiques orthotropes

Un modèle mécano-fiabiliste est développé pour l'analyse de la fissuration dans un milieu viscoélastique orthotrope en mode mixte de chargement. La formulation analytique est introduite par l'intégrale M généralisée au comportement viscoélastique et résolue par une approche incrémentale issue du théorème des travaux virtuels. Les incertitudes sur les propriétés du matériau sont prises en compte par des variables aléatoires afin de calculer la probabilité de propagation de fissure. L'application numérique est effectuée sur un modèle éléments finis d'une plaque fissurée en matériau composite

Elément de planchers composites bois-béton léger

Les éléments composites de planchers bois-béton léger connaissent de plus en plus de popularité dans la réhabilitation et dans les constructions neuves des structures de génie civil. En partenariat avec des industriels, nous avons mis au point un procédé de construction de planchers mixtes, composés d'éléments porteurs en bois et d'une chape de béton confectionnée à partir de fibres de bois. Une étude expérimentale conduite sur les matériaux constituant cette mixité et leurs liaisons ainsi que les approches réglementaires nécessaires à leur dimensionnement sont présentées

ETUDE COMPARATIVE DE LA FISSURATION DES ESSENCES TROPICALES PAR LA METHODE DE LA GRILLE

La présente étude traite de la fissuration en mode d'ouverture de deux essences tropicales issues de la forêt gabonaise : l'Aucoumea klaineana (Okoumé) et le Pterocarpus soyauxii (Padouk) par une technique d'analyse d'images dite méthode de la grille. Une étude comparative des taux de restitution d'énergie critique en fissuration statique et en propagation de fissure est proposée et discutée. Ces espèces sont largement utilisées dans de nombreux pays subtropicaux, dans la construction de bâtiments en bois, mais aussi dans les produits semi-finis et dans la fabrication du papier. Cependant, leur comportement à la rupture doit être étudié, peu de données étant disponibles sur ce sujet. Pour étudier la fissuration de ces deux essences, un système Arcan permettant de tester les éprouvettes Compact Tension Shear (CTS) et Mixed Mode Crack Growth (MMCG) a été développé. Le dispositif expérimental est composé du système Arcan, des éprouvettes CTS ou MMCG en bois, d'une presse de traction et d'une caméra permettant l'enregistrement d'images permettant d'en déduire des champs de déplacement via une grille transférée sur la surface étudiée de l'éprouvette. Les courbes force-déplacement, ouverture et avancée de fissure, déduites des images enregistrées et traitées par la méthode de la grille, sont présentées. Les courbes de l'évolution du taux de restitution d'énergie estimées via la méthode empirique de la complaisance sont présentées en fonction de la longueur de fissure. La mise en évidence de l'effet de l'épaisseur et l'influence de la densité sur la fissuration de ces essences sont clairement établies pour chaque éprouvette de fissuration utilisée

Découplage des modes de rupture au cours du processus de propagation dans un matériau viscoélastique orthotrope par l'intégrale Mqv

Ce travail présente une nouvelle intégrale appelée Mqv, découplant les modes de rupture au cours du processus de propagation de la fissure due à un chargement en fluage dans un matériau viscoélastique orthotrope. La base de calcul issue d'un processus thermodynamique, et d'une combinaison des champs virtuels et réels est présentée. La prise en compte de l'intégrale dans le code de calcul aux éléments finis Castem et son couplage avec un processus viscoélastique incrémental est développée. Grâce à l'éprouvette CTS, les évolutions numériques du taux de restitution d'énergie en mode I et mode mixte sont exploitées en fonction de la longueur de fissure et de la vitesse de propagation