Nguyen, Thi-Hoa-Tam (2008) Modèle d’endommagement des assemblages collés : identification et application à la description d’un essai de vieillissement accéléré. PhD thesis Structures et matériaux, Unité de recherche Navier, ENPC p.158.

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Abstract

Among the three chapters of this thesis report, the first one is devoted to a literature review on the durability of bonded assemblies. The main damage models and optimization methods for identifying model parameters are described. The second chapter presents the predictive theory used in this thesis, and propose a parametric study in order to understand the physical meaning of the model parameters. The last chapter aims to compare theoretical simulations with experimental data. An inverse approach is first implemented to identify the theoretical parameters in the case of bonded assemblies submitted to tensile or shear loadings. Thes same approach is then used to describe the creep behaviour of assemblies exposed to accelerated aging. Values of the parameters corresponding to initial or aged states are examined and interpreted in light of the microstructural evolutions of the adhesive joint.

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Table of content

INTRODUCTION ET OBJECTIFS - 6



CHAPITRE I – Etude bibliographique - 9

Durabilité des assemblages collés : Aspects phénoménologiques et modélisation de l’endommagement

1. Caractéristiques des adhésifs et des substrats cimentaires / Interactions entre phases - 10

1.1. Caractéristiques des adhésifs utilisés en génie civil - 10

1.1.1. Formulations industrielles spécifiques au génie civil - 10

1.1.2. Formation du réseau polymère et température de transition vitreuse (Tg) - 11

1.1.3. Propriétés mécaniques et comportement viscoélastique de l’adhésif - 12

1.2. Caractéristiques des substrats cimentaires - 15

1.2.1. Processus d’hydratation du ciment - 15

1.2.2. Structure poreuse de la matrice cimentaire - 15

1.3. Interactions polymères – matrices cimentaires - 16

1.3.1. Pénétration de la résine dans la matrice cimentaire - 16

1.3.2. Interactions physico-chimiques - 18

1.3.3. Interface/interphase entre l’adhésif et le substrat - 19

2. Comportement mécanique et durabilité des assemblages collés - 21

2.1. Mode de rupture des assemblages collés - 21

2.2. Tests de caractérisation mécanique des assemblages - 23

2.3. Durabilité des assemblages collés - 24

2.3.1. Aspects microscopiques - 24

2.3.2. Aspects macroscopiques - 27

3. Modélisation du comportement mécanique des assemblages collés - 29

3.1. Les modèles mécaniques linéaires de la rupture - 29

3.2. Les modèles de zone cohésive - 30

3.2.1. Mécanique de l’endommagement classique - 30

3.2.2. Présentation des principaux modèles d’endommagement - 31

3.2.2.1. Modèle de MARIGO - 31

3.2.2.2. Modèle de MAZARS - 32

3.2.2.3. Modèle de RAOUS-CANGEMI-COCOU - 33

3.2.2.4. Modèle de CIMETIERE et al - 34

3.2.2.5. Modèle de DE BARROS, CHAMPANEY - 35

3.2.2.6. Approche de VALOROSO ET CHAMPANEY - 36

3.3. Modèles avec couplage des aspects mécaniques et physico-chimiques - 37

3.3.1. Modèle de GERARD - 37

3.3.2. Approche de POPINEAU - 38

3.3.3. Approche de BRUNEAUX et al., puis FREDDI et al - 40

4. Méthodes d’identification – Optimisation sans contrainte - 43

4.1. Méthode de Newton - 44

4.2. Méthode de Quasi-Newton - 45

4.3. Méthode des moindres carrés - 46

4.4. Méthode de Gauss-Newton - 47

4.5. Méthode de Levenberg-Marquardt - 47

4.6. Méthode du simplexe - 48

5. Bilan de l’étude bibliographique - 51



CHAPITRE II – Mise en équation du modèle et étude paramétrique - 53

1. Mise en équation du modèle de couplage des endommagements volumique et surfacique - 54

1.1. Présentation du modèle - 54

1.2. Equations du mouvement - 54

1.2.1. Principe des puissances virtuelles et équations du mouvement - 56

1.2.2. Expressions des équations du mouvement - 57

1.3. Lois de comportement - 58

1.4. Equations globales du modèle - 61

1.4.1. Equations dans les Domaines - 61

1.4.2. Equations à la surface de contact - 62

2. Etude paramétrique – Influence des différents paramètres du modèle - 64

2.1. Influence des paramètres relatifs à l’endommagement volumique - 64

2.2. Influence des paramètres relatifs à l’endommagement surfacique - 68

2.2.1. Cas d’une sollicitation homogène (traction sur deux blocs en acier collés) - 68

2.2.2. Cas d’une sollicitation non-homogène (traction sur des assemblages à double recouvrement) - 71

2.3. Influence du couplage entre endommagements volumique et surfacique - 78

3. Bilan du Chapitre II - 82



CHAPITRE III – Confrontation simulations/expérience, et évaluation du modèle dans le cas d’un essai de vieillissement accéléré - 84

1. Confrontation simulations/expérience dans le cas d’assemblage non vieillis - 85

1.1. Cas de la traction pure sur assemblage de tubes métalliques collés - 85

1.1.1. Configuration de l’essai - 85

1.1.2. Confrontation expérience/simulation – Identification des paramètres du modèle - 86

1.1.3. Raffinement du modèle avec prise en compte de la viscoélasticité de l’adhésif - 94

1.1.3.1. Formulation des équations - 94

1.1.3.2. Influence du paramètre de viscosité ks*N - 96

1.1.4. Identification des paramètres du modèle raffiné - 99

1.2. Cas de la traction sur assemblages métalliques à double recouvrement - 104

1.2.1. Configuration de l’essai - 104

1.2.2. Résultats expérimentaux - 105

1.2.3. Modélisation de l’essai de fluage - 106

1.2.4. Identification des paramètres - 107

1.3. Cas du cisaillement sur assemblage béton/adhésif/composites - 116

1.3.1. Description de l’expérience - 116

1.3.2. Confrontation expérience-modèle - 117

1.4. Bilan de la modélisation pour les assemblages non vieillis - 122

2. Evaluation du modèle pour la description d’un essai de vieillissement accéléré - 124

2.1. Etude du vieillissement de l’adhésif massique - 124

2.1.1. Evolution des caractéristiques mécaniques - 125

2.1.2. Evolutions microstructurales - 126

2.2. Etude du vieillissement des assemblages à double recouvrement - 128

2.2.1. Evolution du comportement à la rupture - 128

2.2.2. Evolution microstructurale du joint collé - 129

2.2.3. Comportement expérimental en fluage - 131

2.3. Modélisation de l’essai de fluage pour les assemblages vieillis - 132

2.4. Bilan de l’étude et de la modélisation pour les assemblages vieillis - 139



CONCLUSION GENERALE - 140



REFERENCES BIBLOGRAPHIQUES - 144

ANNEXE 1 : Paramètres d’endommagement utilisés dans la littérature - 150

ANNEXE 2 : Modèle rhéologique utilisé dans le Chapitre III - 153

ANNEXE 3 : Algorithme programmé sous MATLAB pour l’identification des paramètres d’endommagement selon la méthode du simplexe (Nelder-Mead) - 155

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