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Essais de fatigue sur éprouvettes entaillées

4 ESSAIS DE FATIGUE SUR EPROUVETTES ENTAILLEES

4.1 INTRODUCTION

83

Afin d'étudier l'influence du collage de lamelles en fibres de carbone précontraintes sur lapropagation de fissures de fatigue dans des éléments en acier, des essais de fatigue sur des plaques enacier avec entaille centrale ont été effectués. Les objectifs de ces essais sont les suivants:• étudier l'influence sur le taux de propagation de la fissure de paramètres tels que la rigidité et le

niveau de précontrainte des lamelles en fibres de carbone ainsi que la résistance de l'adhésif,• étudier les phénomènes de décollement entre la plaque d'acier et la lamelle de renfort au front de

fissure,• étudier l'introduction de la précontrainte et vérifier la résistance de la connexion acier-CFRP dans

la zone d'ancrage de la lamelle soumise aux charges cycliques,• fournir des valeurs expérimentales pour la validation du modèle analytique de propagation

proposé dans le chapitre 6.

Le type d'éprouvette employée, les différents paramètres étudiés ainsi que le type de mesureseffectuées sont décrits dans le paragraphe 4.2. Le choix des adhésifs époxydes utilisés dans cetteétude a été effectué sur la base d'essais préliminaires présentés au paragraphe 4.3. La méthodeutilisée pour renforcer les plaques avec lamelles précontraintes est brièvement décrite au paragraphe4.4. Enfin, les résultats des essais sont présentés au paragraphe 4.5 et discutés au paragraphe 4.6.

4.2

4.2.1

DESCRIPTION DES ESSAIS

Eprouvettes

Les essais de fatigue ont été réalisés sur des plaques avec entaille centrale, donc de géométrie simple,permettant de comparer les taux de propagation mesurés avec les valeurs d'un cas bien connu de lamécanique de la rupture (fissure émanant d'un trou de rivet au centre d'une plaque). Des éprouvettesréalisées à partir d'assemblages rivetés, prélevés de structures en service ou en démantèlement,n'auraient pas garanti une uniformité de géométrie, sans parler de la variabilité dans la précontraintedes rivets, qui est indispensable pour une comparaison indépendante des différents paramètresd'essais.

Les éprouvettes se composent d'une plaque d'acier Fe E 235-C de 10 mm d'épaisseur renforcée surles deux faces avec deux lamelles en fibres de carbone (figure 4.1). Les fissures sont amorcées parune entaille au centre de la plaque, se composant d'un trou de 20 mm de diamètre et deux entaillesinitiales de 5 mm pratiquées par électroérosion (figure 4.1 - Détail B). La largeur des entailles n'estque de 0.1 mm et permet de pratiquement annuler la phase d'amorçage de la fissure de fatigue.

La longueur des plaques (l '000 mm) a été choisie de façon à éloigner suffisamment les sectionsd'introduction des charges (mors de la machine d'essai) des zones d'ancrage des lamelles et de larégion influencée par la propagation de la fissure. La longueur des lamelles, 500 mm, permetégalement une bonne diffusion de l'effort de précontrainte introduit par les lamelles en fibres decarbone et assure ainsi une répartition uniforme des contraintes au niveau de la section fissurée. Pourles charges imposées lors de l'essai de fatigue, la largeur de l'éprouvette de 300 mm permet à lafissure de se propager au delà des bords extérieurs des lamelles de renfort avant que ne se produise larupture de l'éprouvette par plastification de la section nette. Les dimensions de l'entaille (trou de20 mm de diamètre avec fissures initiales de 5 mm) ainsi que la largeur (300 mm) et l'épaisseur de la

Thèse EPFL 2440

84 Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés par fatigue

plaque d'acier (10 mm) sont représentatifs du diamètre des trous de rivets, de la taille d'une fissurenon-détectable et des dimensions des tôles qui composent les éléments rivetés.

Détail B: entaillefissure traversante (0.1 mm)

emplacement des.---+--+- mors de serrage

_.,a

r----·····-·-----·---·---------------·l!

1

i!

1

ii

L J1 ao

1

Lamelles CFRP

ool{)

7575

ol{)C\I

ol{)C\I

r'a

150 150

~

====I=t=~

Figure 4.1 - Plaque avec entaille centrale renforcée avec lamelles CFRP

La nuance d'acier (Fe E 235) a été choisie de façon à s'approcher le plus possible des caractéristiquesmécaniques des aciers utilisés par le passé pour la réalisation de ponts rivetés (fer puddlé, acierdoux). Toutes les plaques utilisées pour la réalisation des éprouvettes ont été découpées dans la mêmetôle de 6 x 2 fi, tôle ayant une limite d'élasticité certifiée par le fournisseur de 292 MPa. Lacomposition chimique de l'acier établie par le fournisseur est donnée dans le tableau 2.27.

Les essais ont tous été effectués sur la même machine servohydraulique à quatre colonnes d'unecapacité dynamique de ±800 kN (figure 4.2).

Les plaques d'acier ont été renforcées en utilisant des lamelles en fibres de carbone de différentesépaisseurs et modules d'élasticité (voir paragraphe 4.2.2). Les valeurs nominales de la section deslamelles en fibres de carbone et le pourcentage de la section de renforcement par rapport à la sectionéquivalente de l'éprouvette (taux de renforcement) sont résumés dans le tableau 4.3.

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f{ffll \ fit- !flt/gm' fIIr {'l'nll/l'l'fI('1 l'Iffml1l'{'f 85

Figurf' 4,1 • Dn/}(I)I,ij(J't'HUI: 1(/ J 1lit' frmllule. (hl l'lit' fcllrm/t'

L'oxycoupage el Ic!'o l,.'Ontrnnues rc..iduellc.. rJéjà préscflIC\ dnn!'o 1.1 161c d'un~llIe Clnl prtKIUlI une

Icgerc c urburc dun~ le ..cn" lon~lIudlnJI de l"o,=e dc.. plaque'> d'acicr Cjuc;quoa 6 mlll d'ccun IllCSUft'

JU ccntre dc reproUl';llcl. qUI s'c"t ré\-eit: être B!oSCI prot'llclll.'llillUC ..unoui lu.... dc rupplicalion de..lamelle.\; précontminh~", W c.:on~'qucnce~ dc!'. lInpcrfectlo"", ~,"'OI1lêlnque\ Will uné c.:cnallledl"JlCrsion de III prec:ontr:untc dan~ le.. plaque'> d'aclcr 1ligure ~.1 l 'am~1 qu'un ecan c.:on..,dérnblc desl:OOlr.untee, mcsufCCS sur le" deu\ fuee .. dc rcproll\CnC (Jll'>qU'U (lX MP~ ..olt +lrr dc ln clIntflllOlCIrta:\inl.lle u... 1. Le.. pluque.. lI'ncier aumient pu être redrcs..ces nlin d'é\ilcr lIne \OlIiciulllUn par unI1lmncnt de llc\ion ..ou~ reth.ln de Ir.Il.:tl(>n el rac.:ililcr l"lprlu:allon de.. lame.lle en fibre de c.:arhonc_Celle solullon 0 pounant cie L't'anee alin d'évuer une plu:.uficiJtlUIl partielle de 1:, 1.."t;lItlll d'acier

l1CCe....~aln: mur le redre~, menl de" pla(ltle~ ~l qUI DunUI lIlnuenc.:c COIl.'>ldêmblemclll la propag:lIIOnlie..'> Ii~~u~ dc fallguc. Apre.. :lVOlr écarte le~ lroio; piel.:e~ plu\ tlurbe\, le chul' dc!t rIlUIUC~ ullhsee.spour le'! difrérentes SCrte.. d'c~s:lI" a elé prJllquemcm nlt.mltre,

'[lib/CClii .J.3 - St'U;OIl deI /Oll/Cl/Cf CIlJihr{'( df' t'orbrlllf' el ruu,\ dt, rel/forct'l1It l l"

t A E Il Tllu:\. de rCillorcclllclI1Eprou\ t:IIC~ Imml lmm 1 101"1 [mm 1 A.'E, /(II,E+A r )"

A , '(l(J() ()

Il, ,D, F 1.: 2-10 174 J '000 6.2(,..

E lA 2KO 174 J '000 7,1(""

a 14 280 116 ,'()()(I 8.8 r

,_ ep:lI'iscur" mmalc dc... larncllesA... MXtion 1\''1131e nominale de quatre lamelles en fibrc!t de carboneE.. module d' C1u.-.liçIlC de.. lamelle.. ' ....oleur mo}cnnc dc quatre l..-c.:hanLillon\1A ~Iion bnlle de IJ pluque d'ucierE.. module d'élasllClll: dc l'ucler (110 01'3)

nlt'ft' [PH 1440


4.2.2 Plan des essais

Le but premier des essais consiste à vérifier l'influence sur le taux de propagation des paramètressuivants:• niveau de précontrainte de la lamelle CFRP• module d'élasticité de la lamelle CFRP• épaisseur de la lamelle CFRP• caractéristiques mécaniques de l'adhésif• rapport des charges appliquées RF =Fmin/Fmax

Ceci a été atteint en réalisant sept séries d'essais (tableau 404), comprenant chacune trois éprouvettesidentiques, à l'exception des séries B et G avec deux éprouvettes seulement (à cause de problèmeslors du collage d'une éprouvette). Des courbes de propagation de référence ont été obtenues avec unepremière série d'éprouvettes non renforcées (série A). Cinq séries d'essais (B, D, E, F et G) ont étéréalisées sur des plaques renforcées avec des lamelles en fibres de carbone précontraintes et une série(C) avec des lamelles non précontraintes. L'influence du module d'élasticité et de l'épaisseur deslamelles a été étudiée en employant deux types de composites avec des modules E différents:Sika®CarboDur S et Sika®CarboDur M (voir aussi tableau 304) et des lamelles d'épaisseur nominalede 1.2 mm (Sika®CarboDur S512) et lA mm (Sika®CarboDur S614 et Sika®CarboDur M614). Lavariation des caractéristiques mécaniques de l'adhésif a été obtenue en employant un adhésif époxydebicomposant (Scotch Weld DP490) et un film adhésif époxyde (Scotch Weld AF163-2L WT.03). Lesraisons de ce choix et les caractéristiques mécaniques des adhésifs sont décrites plus en détail auparagraphe 4.3. Le plan des essais est résumé dans le tableau 404.

Tableau 4.4 - Plan des essais

N° Paramètre étudié cy",p t'alll E'am Adhésif F'finI" Fm;" RF

Série épr. [MPa] [mm] [GPa] [kN] [kN] [-]

A 3 acier seul - - - - 400 160 004

B 2 rapport R = a;"iJ/a;"ax -47 1.2 174 SWDP490 267 27 0.1

C 3 effet de la précontrainte 0 1.2 174 SWDP490 400 160 004

D 3 série de référence -47 1.2 174 SWDP490 400 160 004

E 3 épaisseur lamelle -47 lA 174 SWDP490 400 160 004

F 3 adhésif -47 1.2 174 SW AF 163 400 160 004

G 2 module E lamelle -47 lA 216 SWDP490 400 160 004

Fma" FminRF =Fmin/Fmm'

valeur nominale de la contrainte de compression dans la plaque d'acier produitepar la précontrainte des lamelles en fibres de carbonecharge maximale et minimale appliquée pendant l'essai de fatiguerapport des charges appliquées

4.2.3 Paramètres d'essai

Les essais de fatigue ont été effectués avec une charge sinusoïdale à amplitude constante. Toutes leséprouvettes ont été sollicitées avec la même amplitude de charge !'!..F de 240 kN, produisant uneétendue de contraintes dans la section brute de l'éprouvette non renforcée !'!..O"a de 80 MPa. La valeurdes charges minimale et maximale du cycle a été déterminée de façon à obtenir, avec la superposition

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Essais de fatigue sur éprouvettes entaillées 87

des efforts produits par la précontrainte des lamelles, un cycle de contraintes dans la section d'acierconstamment en traction (paragraphe 4.5, figure 4.22). Le rapport des charges RF = Fl11i,/Fl11ax

nécessaire pour satisfaire cette condition est de 0.4 et représente un cas particulièrement défavorablepour l'apparition d'effets de fermeture de fissure (voir éq. 3.2).

Dans la réalité, dans les éléments rivetés sollicités en flexion, il a été constaté que les rapports descharges sont proches de 0 car les valeurs du poids propre par rapport aux charges de trafic sontrelativement faibles. Pour vérifier l'efficacité des lamelles précontraintes avec un rapport descontraintes plus proche de la réalité, une série d'essais (éprouvettes B2 et B3) a été effectuée avec unrapport des charges RF =Fl11i,/Fl11ax de 0.1. Dans ce cas, à cause de l'effet de la précontrainte, la fissureest sollicitée en compression pendant une partie du cycle (figure 4.22).

Les paramètres d'essai de chaque série ainsi que les rapports des contraintes dans la section d'aciersont résumés dans le tableau 4.5.

Tableau 4.5 - Paramètres d'essai

Paramètres d'essai Valeurs nominales des contraintes

F l11ax F min f...F RF P f f...O"a O"a,P (Ja.max O"a,mill RSérie épr.N° [kN] [kN] [kN] [-] [kN] [Hz] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [-]

A 1 400 160 240 0.4 - 4.8 80.0 - 133.3 53.3 0.402,3 6.0

B 2,3 267 27 240 0.1 141 4.8 75.0 -47.0 36.5 -38.6 -1.06

C 1,2,3 A 1'\1'\ .4 0 4.8 75.0 0 125.0 50.0 0.40._- :

D 1,2,3 400 160 240 0.4 141 4.8 75.0 -47.0 78.0 3.0 0.04

E 1 400 160 240 0.4 141 4.8 74.3 -47.0 76.8 2.5 0.032,3 7.0

F 1,2,3 400 160 240 0.4 141 4.8 75.0 -47.0 78.0 3.0 0.04

G 2,3 400 160 240 0.4 141 4.8 73.0 -47.0 74.7 1.7 0.02

f fréquencef...O"a étendue des contraintes dans la section brute en acier de l'éprouvetteO"a,P contrainte de compression dans la plaque d'acier produite par la précontrainte des lamelles

en fibres de carboneO"a,l11ax contrainte maximale dans la section brute de l'éprouvetteO"a,l11in contrainte minimale dans la section brute de l'éprouvetteP valeur nominale de la précontrainte appliquée par les 4 lamelles de renfortRF =Fl11in/Fl11ax : rapport des chargesR = O"a,l11in/O"a,lI1ax: rapport des contraintes

La fréquence de chargement, initialement prévue à 6.0 Hz, a souvent dû être réduite à 4.8 Hz. Cetteréduction a été imposée par l'installation d'une servo-valve hydraulique de capacité réduite, qui apermis de limiter les vibrations de la machine d'essais et a assuré le bon déroulement des mesuresoptiques de déplacements (interférométrie Spekle, voir paragraphe 4.2.4). Les résultats de la premièresérie d'essais (série A: éprouvettes non renforcées) montrent que cette faible variation de lafréquence n'a aucune influence sur la propagation de la fissure dans la plaque d'acier. Des étudeseffectuées sur des composites en fibres de carbone/époxy montrent que l'échauffement produit par lesphénomènes d'hystérésis est très limité si les composites présentent un taux élevé de fibres et sont

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sollicités dans le sens des fibres; aussi, lorsque la fréquence de chargement reste inférieure à 10 Hz,une faible variation de la fréquence n'a aucune influence sur le comportement à la fatigue descomposites [Curtis 1989].

4.2.4 Mesures effectuées

Mesures des contraintes

La répartition des contraintes dans la plaque d'acier a été vérifiée à différents endroits à l'aide dejauges d'extensométrie placées sur les deux faces de la plaque d'acier (figure 4.6). Ces jauges ontégalement été employées pour contrôler l'effort de compression produit par la précontrainte deslamelles lors de la réalisation des éprouvettes sur le banc de précontrainte (paragraphe 4.4).

Pour quatre éprouvettes (D2, D3, FI, G2), l'essai de fatigue a été suspendu avant d'atteindre larupture complète de la section d'acier. Sur ces éprouvettes, des mesures périodiques des contraintesont été effectuées après la fin de l'essai de fatigue, ceci afin d'étudier d'éventuelles pertes deprécontrainte au cours du temps.

/,....,Générateurde courantalternatif

_..+.~. ..~~.....

./'" .....

/

1

\.......... i ....//...~ j -

150 150

Amplificateur demesure avec filtre

Lamelles CFRP

Figure 4.6 - Disposition des jauges d'extensométrie uniaxiales et schéma du système de mesure de

chute de potentiel

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Mesures de propagation

89

La mesure de la propagation des fissures a été effectué en utilisant un système de mesure de chute depotentiel électrique, analogue à celui décrit par Dubois [1988] en courant continu, mais caractérisépar une source de courant alternatif, plus stable et plus précis que les systèmes à courant continuprécédemment employés. Ce système exploite les variations locales du champ électrique dansl'éprouvette produites par l'avancement du front de fissure pour en déduire la courbe de propagation(relation a- N). Un champ électrique est introduit à travers l'éprouvette à l'aide de câbles blindés,fixés aux mors de la machine d'essai. Deux paires de fils, soudés par décharge électrique de part etd'autre de l'entaille (sur chaque lèvre de la fissure), permettent de mesurer les différences depotentiel électrique I1U] et I1U2 provoquées par l'avancement des deux fronts de la fissure (voir figure4.6 et 4.7). Grâce à un étalonnage adéquat entre la différence de potentiel et la longueur de fissure, larelation entre la longueur de fissure et le nombre de cycles peut être établie. La différence depotentiel électrique est enregistrée de façon continue au cours de chaque essai de fatigue sur untraceur, ce qui permet d'obtenir la longueur de fissure en fonction du nombre de cycles.

Une étude de la variation du potentiel électrique en fonction de l'avancement de la fissure, effectuéepour la géométrie de l'éprouvette et pour la disposition des quatre points de mesures de la différencede potentiel choisis (figure 4.7), a permis d'estimer l'influence de l'avancement du front de fissure al.

respectivement a2, sur la mesure de la différence de potentiel I1U2, respectivement ùU] (annexe B).Avec la position rapprochée des points de mesure choisie, l'influence réciproque de l'avancement desdeux fronts de la fissure sur les mesures de différence de potentiel électrique est relativement faible.Pour cette raison, chaque mesure de différence de potentiel a été considérée comme mesureindépendante et, pour chaque éprouvette, les demi-longueurs de la fissure a] et a2 obtenues à partirdes valeurs !J.U] et !J.Ub sont représentées avec deux courbes de propagation distinctes.

1.·1

Figure 4.7 - Disposition des points de mesure de la différence de potentiel électrique

Le système de mesure de chute de potentiel électrique a été étalonné avec des mesures de longueur defissure effectuées à l'aide d'un microscope sur les éprouvettes des séries A, C, ainsi que sur leséprouvettes D2 et D3. Des marquages des fissures à l'encre ont également été effectués sur leséprouvettes Al, A2, C3 et Dl. Ce type de marquage a pourtant été arrêté après avoir constaté uneinfluence sur la propagation de la fissure lors de l'essai de l'éprouvette DL L'influence desmarquages à l'encre sur le taux de propagation de la fissure a déjà été mise en évidence lors d'autrestravaux de recherche [Verreman 1985].

La courbe d'étalonnage résultant de l'interpolation des 168 points obtenus par les mesures optiques etles marquages à l'encre est donnée à la figure 4.8. Il est important de noter que les mesures effectuéessur les éprouvettes non renforcées et sur celles renforcées avec lamelles en fibres de carbone setrouvent alignées sur la même courbe d'étalonnage. Les lamelles en fibres de carbone ne semblentdonc pas influencer le champ électrique introduit dans la plaque d'acier.

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90 Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés parfatigue

La courbe d'interpolation est un polynôme d'ordre 4 (éq. 4.1) avec coefficient de corrélationr =0.996. Des calculs comparatifs effectués avec des polynômes d'ordre inférieur ont montré que laforme de la courbe d'étalonnage n'a qu'une faible influence sur la longueur de la fissure (annexe B).Pour une demi-longueur de fissure inférieure à 50 mm, la relation est en effet quasiment linéaire. Lacourbe d'interpolation est:

a = 5.13 .10-13~U4 - 3.37 .10-9 ~U3 + 7.50 .10-6~U 2 + 1.37 .10-2~U + 13.88 (4.1)

a demi-longueur de la fissure~U différence de potentiel électrique

150 a [mm]

o éprouvettes non renforcées (A)

.& éprouvettes renforcées (C & D)

-- polynôme (4.1)

100

125

50

25

75 ------------------------------------

~u [J.lV]

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000500

O+-----,--_r"--_r__-~--_r_-__,r__-_r"--_r__-....,.--.,

o

Figure 4,8 - Etalonnage du système de mesures de profondeur de fissure a, par chute de potentiel ~U

Dans la configuration utilisée, le système de mesure de chute du potentiel électrique permet demesurer des potentiels jusqu'à 5000 J.lV. Une fois cette limite dépassée (a = 141 mm), lesamplificateurs sont saturés et aucune variation de potentiel ne peut plus être enregistrée. La limite delinéarité des amplificateurs se situe autour de 3800 J.lV (a = 84 mm). La courbe d'étalonnagedéterminée pour des longueurs de fissure supérieures à 84 mm est donc une relation de moindrequalité, influencée par la géométrie de l'éprouvette mais également par les caractéristiques dusystème de mesure.

La dispersion des points de mesure observée pour des demi-longueurs de fissures supeneures à75 mm est surtout liée aux phénomènes produits par les grands déplacements et les déformations del'éprouvette. Le système de mesure de chute de potentiel est en effet extrêmement précis si ladimension de la fissure est relativement petite par rapport à la taille de l'éprouvette. Au contraire,pour des grandes fissures, le champ électrique est influencé par les déformations élastiques del'éprouvette et la précision de la mesure est alors fortement compromise.

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Mesure du champ de déplacements à la surface de l'éprouvette par interférométlJ"ie speckle

91

Des mesures des déplacements de la surface de l'éprouvette par interférométrie speckle ont étéeffectuées afin d'étudier les phénomènes de décollement entre la lamelle de renfort et la plaqued'acier dans la zone du front de propagation de la fissure. Ces mesures ont été réalisées encollaboration avec l'Institut de mesure et analyse des contraintes IMAC (Prof. Jacquot etDr Facchini). Une description détaillée du système de mesure est donnée dans [Facchini 1999, 1999a,Bassetti 2001]. Les principes de cette technique de mesure sont brièvement résumés clans l'annexe D.Les résultats de ces mesures se sont révélés très utiles et quelques-uns sont donnés dans le paragraphe4.5.3.

4.3 ESSAIS ACCESSOIRES

4.3.1 Caractéristiques mécaniques des adhésifs époxydes

Choix des adhésifs

Une première évaluation de différents adhésifs époxydes a été effectuée sur la base des résultats desétudes réalisées à l'EMPA sur des assemblages collés aluminium-CFRP [Knoblauch 1994, Weiler1994]. L'étude comparative effectuée par Knoblauch sur quatre adhésifs structuraux disponibles dansle commerce (SW 2216B/A, SW 9323, SW DP460 et SW DP490) a mis en évidence la résistanceélevée aux sollicitations statiques et à la fatigue de l'adhésif bi-composant Scotch Weld DP490. Cetadhésif présente également un bon comportement à haute température et une grande résistance auxagents agressifs. Un autre avantage de cet adhésif est le fait de durcir à température ambiante et degarantir une bonne résistance sans nécessiter une polymérisation à température élevée.

Le deuxième type d'adhésif considéré dans la présente étude est un film adhésif (Scotch WeldAF163-2L WR.03) spécialement développé pour des assemblages composite-composite et compositemétal. Cet adhésif a été choisi surtout pour sa température de transition Tg élevée, soit lüsoC. Eneffet, les températures mesurées sur des ponts en acier exposés au soleil peuvent atteindre jusqu'à57°C (pour une température de l'air à l'ombre de 3S°C) [Capps 1968, Emerson 1976]. Grâce à sarésistance extrêmement élevée et au bon comportement à haute température, ce type d'adhésif estdonc particulièrement approprié pour les zones fortement sollicitées, comme par exemple la zoned'ancrage des lamelles précontraintes. Par rapport à une résine bi-composants, le désavantageprincipal du film adhésif est cependant la limitation de l'épaisseur du joint de collage. Les filmsadhésifs sont en effet particulièrement indiqués pour réaliser des joints de collage extrêmementminces (0.1 mm). Pour obtenir une bonne adhérence du joint, il faut donc que les surfaces à assemblersoient planes et sans défauts. Dans le cas de la réparation et du renforcement d'anciens ponts rivetés,il faut intervenir sur des éléments en acier fabriqués avec des tolérances non négligeables, quiprésentent des déformation locales et qui ont été exposés à l'action de la corrosion. Dans ces cas,l'emploi de résines est beaucoup plus indiqué et permet d'adapter l'épaisseur du joint de collage entrela lamelle de renfort et la surface d'acier et de compenser ainsi les défauts de planéité des éléments enacier. Pour cette raison, le film adhésif SW AF163 n'a été employé que pour la fixation des piècesd'ancrage nécessaires à la mise en précontrainte des lamelles en fibres de carbone, et non pourl'application de lamelles sur les éléments rivetés en vraie grandeur. Le film adhésif a cependant étéemployé pour réaliser une série de trois plaques avec entaille centrale (série F). Le but, dans ce cas,était de vérifier l'influence d'une résistance améliorée de l'adhésif sur l'efficacité du renforcementpar lamelles en fibres de carbone.

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Le troisième et dernier type d'adhésif considéré (SK4), mais uniquement dans la phase préliminairede cette étude, est une résine époxyde avec des caractéristiques très proches de l'adhésif SW DP 490.Il s'agit d'un prototype qui n'est pas disponible dans le commerce.

Les principales caractéristiques des différents adhésifs sont résumées dans le tableau 4.9.

Tableau 4.9 - Adhésifs époxydes considérés dans la présente étude

Scotch Weld Scotch Weld SK4DP490 AF163-2L WT.03

Type résine bi-composants film adhésif résine bi-composants

Fournisseur 3M 3M (non disp.)

Température de transition T SsoC(I) IOsoC(2) 72°C"g

Curel2) Temp. ambiante 1.5h 120°C Temp. ambiante

(SOh 15°C-15h 35°C)

T d 1(1) 180 min. 10 jours(5) 40 min.emps e traVaI -

Temps de manipulation'4! 240 min. - 70 min.

(1) valeur correspondant au maximum d'amortissement mesuré avec un pendule à torsion (DIN 53445)(2) valeur donnée par le fournisseur(3) période, après le mélange des composants, pendant laquelle le joint de collage doit être assemblé(4) période pendant laquelle il est encore possible d'intervenir sur les pièces assemblées(5) les films adhésifs sont généralement stockés à basse température (-18°C), le temps de travail fait ici référence à la

période pendant laquelle le film se trouve à température ambiante

Résistance ultime d'assemblages acier-CFRP cisaillés

Une première évaluation de la résistance statique et à la fatigue d'assemblages acier-CFRP réalisésavec les trois différents types d'adhésifs a été effectuée par des essais sur des assemblages de petitesdimensions à recouvrement simple (figure 4.10). La géométrie des éprouvettes ainsi que les résultatsdétaillés de ces essais sont présentés dans l'annexe C.

F .. Ci===2tA

=1 E~_,._""._", .._._._....,_""",_,.,,_:h_

2

'_'_f_'..._. l~.. 1 ... F

G, v 1. 2L .11f 2tB ""---- EB

Figure 4.10 - Joint à recouvrement simple

Les valeurs moyennes des résistances obtenues avec les différents adhésifs sont résumées dans letableau 4.11.

Pour la géométrie utilisée du joint collé (non-symétrique), le film adhésif Scotch Weld AF163-2LWT.03 présente une résistance ultime et une résistance à la fatigue supérieures par rapport auxadhésifs bi-composants. La différence est remarquable surtout pour le comportement à la fatigue. Larésistance ultime de tous les joints à recouvrement simple réalisés avec cet adhésif dépasse la valeurnominale de la résistance plastique de la section d'acier Aa/ v, Ceci est une preuve supplémentaire desrésistances très élevées pouvant être atteintes par des joints acîer-CFRP collés. Il est également

Thèse EPPL 2440

Essais defatigue sur éprouvettes entaillées 93

(4.2)

intéressant de constater que les deux resmes bi-composants SK4 et SW DP490, bien qu'ellesprésentent une résistance statique suffisamment élevée, montrent un comportement complètementdifférent si elles sont soumises à des charges cycliques. La faible résistance à la fatigue de l'adhésifSK4 pourrait être éventuellement expliquée par son module de cisaillement plus élevé, produisant desconcentrations de contraintes plus importantes à l'extrémité de l'assemblage (voir paragraphesuivant). Un adhésif avec un module de cisaillement trop élevé peut, dans ce cas, nuireconsidérablement au comportement à la fatigue de l'assemblage.

Tableau 4.11 - Résistance ultime et à lafatigue d'assemblages CFRP-acier à recouvrement simple(valeurs moyennes de 3 éprouvettes)

Type d'adhésif Résistance ultime Nombre de cyclesFil [kN] (ôF= 8kN)

Scotch Weld AF163-2L WT.03 25.9 1'675'000

Scotch Weld DP490 20.5 451 '300

SK4 15.6 36'500

Répartition des contraintes dans le joint à recouvrement simple

La solution élastique des contraintes de cisaillement dans l'interface d'un joint collé à recouvrementsimple (fig. 4.10), obtenue en négligeant les moments produits par l'excentricité de l'assemblage, estdonnée par la relation (4.2) [Vidonne 1995].

'm AL (Ch(Âx]) _ ch(ÂL) Ch(WX]))sh(ÂL) _ Â ch(AL) sh(wL) ch(wL)

llJ ch(wL)

2L longueur du joint2e épaisseur de l'interfaceG module de cisaillement de l'interfacev coefficient de Poisson de l'interface2tA,B épaisseur de l'adhérent A, resp. BEA.B module d'élasticité de l'adhérent A, resp. B

Pour une épaisseur de l'interface 2e nulle, l'équation (4.2) se réduit à:

,(x]) 'mAL ch(Âx)sh(AL) 1

(4.3)

avec:

Les équations (4.2) et (4.3) relatives à la répartition élastique des contraintes de cisaillement dansl'interface d'un joint à recouvrement simple permettent de faire les constatations suivantes, valables

Thèse EPFL 2440


également pour d'autres configurations de joints collés:• Une augmentation de la rigidité de l'interface a pour effet une augmentation de la concentration

des contraintes à l'extrémité du joint: les contraintes de cisaillement dans l'adhésif deviennentplus élevées en augmentant le module de cisaillement de l'interface G ou en prolongeant lalongueur du joint 2L.

• La réduction de la rigidité des adhérents (tA,B·EA,B) résulte en une augmentation de laconcentration de contraintes de cisaillement.

• Les contraintes de cisaillement obtenues avec la solution élastique pour un état de cisaillementpur croissent lorsque l'épaisseur de l'interface 2e diminue.

Cette dernière constatation n'est valable que si les moments secondaires produits par l'excentricité del'assemblage sont entièrement négligés. En général, une augmentation de l'épaisseur de l'adhésif seconjugue avec une augmentation de l'excentricité, ce qui produit des contraintes de traction plusélevées dans le sens perpendiculaire au joint (selon Xl, figure 4.10) et réduit considérablement larésistance.

La solution élastique de la distribution des contraintes de cisaillement (4.2) permet d'estimerl'influence de certains paramètres, mais elle n'est pas appropriée pour une évaluation quantitative dela résistance ultime de l'assemblage. A cause des fortes concentrations de contraintes, l'adhésif seplastifie et il y a redistribution des contraintes dans les zones d'extrémité de l'assemblage. La figure4.12 présente la distribution des contraintes de cisaillement calculée par éléments finis dans l'adhésifd'une éprouvette sollicitée avec une charge proche de celle de rupture (20.5 kN).

• calcul linéaire-élastique

o calcul élastique-plastique

T [MPa]

120

100

80

•60 •••40 ••20

0

0 20 40 60 80

•,

100

x [mm]

F - --""""":":Mf-("""ii:~::-::.. =;;;..;;g;..;;;;;;..;;;;;·;;;-:~>zil,~.·.·~.:zz. ====:zz:zz.. m:::zJ!

?-x... F

Figure 4.12 - Contraintes de cisaillement dans le joint de collage de l'assemblage acier-CFRP

Les contraintes de cisaillement ont été calculées en admettant un comportement parfaitementélastique-plastique de l'adhésif (limite d'élasticité fixée à 35 MPa) et en considérant les momentssecondaires produits par l'excentricité de l'assemblage. Les résultats des calculs montrent que pourune charge proche de la résistance ultime de l'assemblage, le transfert des efforts entre les deuxadhérents a lieu dans une zone relativement limitée (20 mm) aux extrémités de l'assemblage, zone où

Thèse EPFL 2440


les concentrations des contraintes sont atténuées par la capacité de l'adhésif à supporter de grandesdéformations et à se plastifier. Une augmentation de la longueur du joint collé ne résulte donc pasforcément en une augmentation de sa résistance. Au contraire, elle augmente la concentration descontraintes aux extrémités de l'assemblage (éq. 4.2).

Les constatations effectuées pour le joint à recouvrement simple permettent de tirer les conclusionssuivantes, valables également pour d'autres configurations de joints collés:• La répartition des contraintes de cisaillement et donc la résistance du joint dépend du rapport

entre les rigidités de l'adhésif et des adhérents.• Une sollicitation excentrée de l'assemblage produit des contraintes de traction perpendiculaires

au joint collé qui réduisent considérablement sa résistance. Pour atteindre une résistanceoptimale, il faut éviter les contraintes de traction et solliciter l'adhésif avec un état de contraintesle plus proche possible d'un état de cisaillement pur. Des efforts de compression appliquésperpendiculairement au sens du joint peuvent contribuer à augmenter considérablement larésistance au cisaillement de l'assemblage.

• Afin d'atteindre une résistance élevée de l'assemblage collé, il faut que l'adhésif se plastifie surune zone la plus longue possible afin d'avoir une bonne redistribution des contraintes. Lacaractéristique la plus importante de l'adhésif est donc sa ductilité, i.e. sa capacité à supporter degrandes déformations avant la rupture.

Les essais réalisés avec des joints collés avec recouvrement simple sont particulièrement utiles pourcomparer différents types d'adhésifs et, grâce à leur simplicité de réalisation, sont souvent utiliséspour des contrôles de qualité [ASTM 1996 - D 5868-95, D 3165-95, D 3166-93; ISO 9664 1995]. Lasollicitation de l'adhésif étant fortement influencée par la géométrie et les propriétés des adhérentsainsi que par les efforts de traction perpendiculaires [ASTM 1996 - D 4896-95], les résultats de cesessais ne peuvent pourtant pas être employés pour déterminer les caractéristiques mécaniques et larésistance effective au cisaillement pur de l'adhésif. Le dimensionnement de joints collés avec unegéométrie autre que celle du joint à recouvrement simple ne peut être effectué que par des calculs quitiennent compte du comportement non-linéaire de l'adhésif. Par conséquent, il est indispensable deconnaître la courbe contrainte-déformation spécifique (T-Y ou (5-5) caractéristique de l'adhésif.

Diagrammes contrainte-déformation des adhésifs époxydes

Les essais réalisés sur des joints à recouvrement simple ou double ne permettent pas de déterminer lescaractéristiques mécaniques de l'adhésif, car les contraintes ne sont pas uniformes et le joint n'est passoumis à un état de cisaillement pur (figure 4.12). Une possibilité pour déterminer la courbecontrainte-déformation caractéristique de l'adhésif consiste à effectuer des essais de torsion sur desjoints de tubes collés bout à bout (figure 4.13 : Napkin-ring test, [ASTM 1996 - E 229-92]). Aveccette configuration d'essai, l'adhésif est soumis à un état de cisaillement uniforme sur toute lacirconférence du tube. La courbe contrainte-déformation spécifique (T-r) peut être déterminée à partirdes valeurs du moment de torsion T et du déplacement v mesurés, en appliquant les relations (4.6) et(4.7).

Thèse EPFL 2440


(4.4)

(4.5)

(4.6)

'02J[

T = 1rrdA = ffr2r(r) drdr/J'i 0

Avec une répartition des contraintes de cisaillement dans

l'épaisseur du tube linéaire: r( r) = !..E..- r , on obtient:ra

La contrainte de cisaillement à la circonférence moyenne du

tube est obtenue de (4.5) avec r - 'i + ra .2

Le glissement est obtenu par la relation:

1

1_----;---_ i

)., - - ---~--::--::::.-l"'''.1 ,

)/

Figure 4.13 - Napkin-ring test vadr=e

(4.7)

T moment de torsion appliquéri,o rayon interne, resp. externe du tuber contrainte de cisaillementr glissementv déplacement mesuré sur l'éprouvetteVad déformation mesurée de l'adhésife épaisseur de l'adhésif

Les principales difficultés de ce type d'essai sont liées à la mesure du déplacement v et au contrôle del'épaisseur de l'adhésif. Pour cette raison, les courbes contrainte-déformation des deux adhésifsépoxydes employés dans la présente étude (SW DP490 et SW AF163) ont été établies par des essaiseffectués à l'EMPA, avec l'instrumentation décrite par Deuring [1993] et spécialement conçue pourla détermination des caractéristiques mécaniques d'adhésifs époxydes [Kuhnert 1987, Fischer 1989].Pour les dimensions de l'éprouvette employée (ri = 30.3 mm, ra = 35.2 mm), la variation de lacontrainte de cisaillement élastique aux bords du tube n'est que de 7% par rapport à la contrainte decisaillement moyenne calculée avec (4.6) et peut donc être négligée.

Les éprouvettes ont été réalisées avec des tubes en alliage d'aluminium AnticorodallOO (figure 4.14).Pour garantir une épaisseur du joint de collage constante, la partie interne des surfaces de collage aété travaillée sur un tour de façon à laisser un espace libre de 0.1 mm d'épaisseur. La partie restante,laissée en place pour créer l'épaisseur prédéfinie du joint collé, a été enlevée seulement après lecollage, avant de réaliser les essais (figure 4.14). Les surfaces ont été préparées avec un sablage deprécision et dégraissées avec de l'acétone avant le collage.

Thèse EPFL 2440

EHlIi.f tir (litigl/l'fllr rt'rmll'ettrs CIIltii/lü,f 97

Figure .J./.J .. EprolH'clte tll a/mlf/Ilium t:",plmü pour l'essQl dt rorsiOll

fK"/,,,~n 1987. Fisc:1lu I%"J}

Le.. cou~ moycnne.. obtenue... n\oc une séne de cintl eprou\cuc\ poUT chaque Ir~ .radhésif 'rolll

rcprC\Cntee!l dan~ le diagramme de la Iizure ·US. Le~ coume, mll)cnnc~ r-;l'onl cie con\"enÎcs dans

13 rorme éqUl\"alente ","c l figure ·U6) en npplJquant le critcre de \on MI~e'i H.SI el en admettant un

coefficient de Po,"son "de 0.3~ [Hancox 19941. afin d·être emplo)Cc' dan.. le mudèle" Humeriqueslchapllre 51.

pour un étal de c:isnillemenl pur; cr J3 r c 1~.9)

1

1

?- SW AF163 (I..5h 120 CL

-- SW DP~90 (2h 65 Cl

r [MPa)

50

~5

25

20

15

10

5

o00 0.5 1.0 1.5 l.O '0

r (-)

Figure .J.15 .. COllrbes mo\'emlt?s rolllroinre dt" cisailleme",·.~lissement spécifique ditenllilléese.'pblmemalemem


E [-]

3.02.52.01.51.00.5

.---~""""'"

-----/""..-

---I~-----V

- SW AFl63 (1.5h 120°C)

- SW DP490 (2h 65°C)1o

0.0

40

50

30

60

10

20

(J [MPa]

70

Figure 4.16 - Courbes moyennes contrainte-déformation spécifique obtenues en appliquant le critèrede von Mises

4.3.2 Contraintes résiduelles dans les plaques en acier

Les plaques en acier utilisées pour les essais de fatigue ont été oxycoupées et les surfaces grenailléesavant d'appliquer les lamelles en fibres de carbone. Ces opérations produisent des contraintesrésiduelles capables d'influencer considérablement la propagation des fissures de fatigue. Desmesures des contraintes résiduelles ont été effectuées par la technique dite de sectionnement[Tebedge 1973] sur la partie supérieure et inférieure de l'une des plaques non testées à la fatigue(figure 4.17). Les contraintes résiduelles mesurées au centre de la plaque, dans la zone de propagationde la fissure, sont très faibles (environ -3 MPa) et peuvent être négligées. Les contraintes résiduellesmesurées dans la plaque oxycoupée peuvent donc être considérées comme représentatives de cellesprésentes dans les plaques composant les éléments rivetés, comme par exemple dans les semelles derenfort rivetées.

CT,es [MPa]

30

250 200

'"15

10

500 0'"

-5

-10 x [mm]-15rx

300 0 50 100 150 200 250 300

Figure 4.17 - Contraintes résiduelles dans la plaque en acier: (a) plan de sectionnement; (b) valeursmoyennes des contraintes résiduelles mesurées dans la partie inférieure et supérieure de l'éprouvette

Thèse EPFL 2440

99

4.4 REALISATION DES EPROUVETIES

Le.. eflroU\clt~ rt:nfon:cc:'lo ""C( d~ lamclle~ en fïbl'e3 de CGrb<.'ne prce,;OI1lr.:unle, onl cte rc.'Jhq,-e\ ..ur

un \').1",,: de prt":OnlnUnlC flCÇI31cmcnI conçu pour eue lâche (figure ".1 1.

Figur~ 4./8 . (lIJ &mt· lk pfVC'(}",mmlC : lb} Dewil du f\JU'ItIt: J'a"cmR~ Ill'f JamdJ~j

U= IJtn.. eprOll\clte de ..hBqUC ~ric ont été reaiL\CC \lmultllllCmtnl de manlcœ a {!ar.mllr unepréconulIlOle u.lenuque (lU CJ'lrou\cll~ d'une même ~ne. en ulih\il.nl quatre lamelle en fit'lre~ ~

L-arnoI1f: de .tb nt tk longueur. Ch3que r~lIre de lamellcl; aprhquce rar (ace de prou\'ie:ne J clé nu~en lcn ion ~parc:menl par un \cnll rince il chaque c~lremile du banc de prttOnlnlllltc Le I,;(lnlrôle delu préc.:olllrmnte :l c=té dlf!'ClUC à raide d~ jauges d'extcn,ol1tetnc pluu.~ ur le.. lamelle el de

capteur" de force Ih6 au'( "~nn~, L'lOtroducllon de la (ort'C' de précomr.ume dan", 1;1 Imoelle :1 ctca!'l'iun."C par de!> :lIUILhe. formce... de dcu). fer;-rJ:lIs en acier C(1IJC aull, c~lrenllles de.. lamelle!. 1rilure:418hcI4IQ).

50 30 20

•Fers plats

30 50

5

230 4--4

FigM~4./9 . PU'Ct' tftltlad't" POUT III misC' c'" prccomroù'tl" dC$ 't,mdl,'"

La lonne de rn~semblu1tc. n\'l:L une épai;scur dl...'croi.s~mle de.. fcrs plnt~ \cr. leur c'l:lrémllé el une

Iimllc d'élnsucllc de racler reltillve.meni ha.~se. fn\'orbe la pla~llflcallon partielle de I·ucier.

711h..- Fflf J 2440


permettant ainsi une redistribution des contraintes dans l'adhésif sur une zone plus longue. Des essaisde traction effectués sur un total de S éléments ont montré que ce type d'assemblage, réalisé avec deslamelles Sika®CarboDur S512 de 1.2 mm d'épaisseur et de l'adhésif SW DP490, présente unerésistance moyenne aux efforts de traction de 71 kN, ce qui correspond à des contraintes de tractiond'environ 1'200 MPa dans la lamelle en fibres de carbone.

Toutes les plaques d'acier, y compris celles non renforcées avec des lamelles en fibres de carbone(série A), ont été grenaillées et les surfaces de collage nettoyées avec de l'acétone. La cure del'adhésif a été effectuée en appliquant sur les deux côtés des éprouvettes des couvertures chauffantes(Hotsil® SOO x 200 mm, 160 W). Dans la figure 4.20, afin de montrer l'efficacité des couvertureschauffantes, la température mesurée dans le joint de collage lors de l'application des élémentschauffants est comparée à la température mesurée sur une éprouvette chauffée à 65°C dans un four(série C : lamelles non précontraintes).

SO

60

40

20

o

él. chauff nts'\. -~ "'""

~~~- \.

V '\ "'lII

~;} four 6 oC

~ ro-

f -Ï"--

éctufferr ent ....(>+refr :>idisseIp.ent

o 20 40 60 SO 100 120 140 160 ISO 200

t [min]

Figure 4.20 - Température mesurée dans le joint de collage

A cause de la contraction produite par l'effort de compression dans les plaques d'acier et de ladifférence du coefficient d'expansion thermique entre l'acier et le composite, la tension dans leslamelles à l'état final, après avoir réalisé la connexion avec la plaque d'acier et relâché la tensiondans le banc de précontrainte, est inférieure à la tension initialement imposée aux lamelles en fibresde carbone. Les pertes de précontrainte dépendent du rapport des rigidités entre les lamelles derenfort et la section d'acier, ainsi que de la différence de température entre la fin de la polymérisationde l'adhésif et la température ambiante à l'état final. Une estimation de la tension finale dans leslamelles et de la contrainte de compression après les pertes dans les plaques d'acier peut êtreeffectuée à l'aide des relations (4.10) et (4.11) :

(4.10)

Thèse EPFL 2440


-a A lama a.P - lam.P A

a

101

(4.11)

CTiam,P

a lam .p

aa,P

Ea• Elam

A a• A/am

!i.T

: tension dans les lamelles en fibres de carbone à l'état final, après avoir réalisé laconnexion avec les plaques d'acier et relâché la tension dans le banc de précontrainte

: précontrainte des lamelles en fibres de carbone à l'état initial, lors de la mise en tensiondans le banc de précontrainte

: contrainte de compression dans la section brute de la plaque d'acier: module d'élasticité de l'acier, resp. des lamelles en fibres de carbone: section en acier, resp. section totale des 4 lamelles en fibres de carbone: coefficient d'expansion thermique de l'acier, resp. des lamelles en fibres de carbone: différence de température (état final moins état initial)

Afin d'obtenir la même contrainte de compression dans la section d'acier pour toutes les sériesd'éprouvettes, la force utilisée pour la précontrainte des lamelles a été adaptée en fixantaa,P =-47 MPa et en appliquant l'équation (4.10) avec !i.T =-60°C et alam =O. Pour les lamelles plusrigides et plus épaisses, la perte de précontrainte peut atteindre 23% de la tension initiale Glam .p •

La contrainte de compression dans les plaques d'acier, aa,P, mesurée après la réalisation deséprouvettes, est présentée dans la figure 4.21. La précontrainte varie dans un intervalle de ±13% parrapport à la valeur visée de -47 MPa. Les valeurs varient non seulement entre les séries (lamellesdifférentes), mais également au sein d'une même série d'éprouvettes réalisées simultanément dans lebanc de précontrainte avec les mêmes lamelles (par exemple série F). Ces variations sontprobablement à imputer aux déformations initiales, en particulier la courbure Uusqu' à 6 mm d'écartmesuré au centre de l'éprouvette), observées sur certaines plaques d'acier. Il faut préciser qu'à causede la différence entre les coefficients d'expansion thermique, la contrainte de compression dans lesplaques d'acier est rapidement influencée par des variations de température. La contrainte decompression peut en effet subir des variations d'environ ±4% à la suite d'une différence detempérature de ±lO°C.

CFa,p [MPa]60...--------------------------,

II

50

40

30

20

10

o

CFa,P = 47 MPa

------y---------

'T "r T

BI B2 B3 Dl D2 D3 El E2 E3 FI F2 F3 GI G2 G3

Figure 4.21 - Contraintes dans la section en acier (moyenne des deux faces) dues à la précontraintedes éprouvettes des séries B. D, E. F et G

Thèse EPFL 2440

102 Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés parfatigue

Lors de la réalisation des éprouvettes des séries B et G, l'une des quatre lamelles en fibres de carbonea été endommagée. La vérification de la contrainte de compression effectuée sur les éprouvettes BletG1 avant l'essai de fatigue a permis de constater une forte perte de la précontrainte. Pour cette raison,ces éprouvettes n'ont pas été utilisées pour les essais de fatigue. Une légère perte de précontrainte, decause indéterminée, a également été mesurée sur l'éprouvette B2 (voir aussi figure 4.22).

4.5 RESULTATS

4.5.1 Contraintes dans la section en acier

Le diagramme de la figure 4.22 représente la moyenne des contraintes principales mesurées sur lesdeux faces de la plaque d'acier lors du premier cycle de charge (jaugesjl, j2, j4 etj5 : figure 4.6).

CFRP

acier seul

F [kN]

CFRPnonprécontraint

40035030025020015010050

-60 ..I--__--'---__--'---__...L.....L__-'--__-'--__-'----__-'----__.l--..../

o

0"a [MPa]160

140

120

100

80

60

40

20

0

-20B2

-40•...,',.

Figure 4.22 - Cycle de contraintes mesurées

En observant la figure 4.22 on peut facilement constater que le renforcement avec les lamelles enfibres de carbone ne produit qu'une faible réduction de l'étendue de contraintes. Le renforcementavec quatre lamelles de 70 mm2 de section ayant un module d'élasticité de 216 GPa (série G : taux derenforcement == 8.8%) ne réduit l'étendue de contraintes que de 81 à 73 MPa.

A l'exception des éprouvettes B2 et B3, testées avec un rapport des charges RF de 0.1, les contraintesrésultant de la superposition des charges appliquées et de la précontrainte des lamelles en fibres decarbone sont toujours en traction. Le rapport effectif des contraintes R == O"a,11lil/O"a'11lax est de 0.4 pourles éprouvettes sans précontrainte et varie entre 0 et 0.1 dans la zone renforcée pour les éprouvettesavec lamelles précontraintes. L'effet de la précontrainte produit dans la zone renforcée deséprouvettes B2 et B3 des cycles partiellement en compression, avec des rapports de contraintes Rinférieurs à -1. Les valeurs extrêmes des contraintes mesurées sur les différentes éprouvettes lors dupremier cycle de charge sont résumées dans le tableau 4.23.

Thèse EPFL 2440


Tableau 4. 23 - Contraintes dans la section en acier

(J (J, L1(Ja R ~,pQ, ma,· Q, mm

Eprouvette [MPa] [MPa] [MPa] [-] [MPa]

Al 136 55 81 0.4 -A2 138 56 81 0.4 -

A3 136 56 81 0.4 -

B2 38 -38 76 -1.0 -52B3 30 -50 80 -1.7 -54

Cl 126 51 75 0.4 0C2 126 51 75 0.4 0C3 123 48 74 0.4 0

Dl 84 7 77 0.1 -43D2 84 10 74 0.1 -41D3 86 11 76 0.1 -43

El 78 4 74 0.1 -47E2 79 5 74 0.1 -47E3 76 2 74 0.0 -47

FI 76 0 76 0.0 -48F2 83 8 75 0.1 -44F3 75 -1 75 0.0 -51

G2 71 0 71 0.0 -47G3 76 3 73 0.0 -48

4.5.2 Courbes de propagation

103

Les courbes de propagation établies à partir des mesures par la méthode de chute de potentiel sontreprésentées dans les figures 4.24 à 4.26. L'efficacité du renforcement avec lamelles en fibres decarbone peut être déduite en comparant les résultats de chaque série d'essais avec les courbes depropagation obtenues pour la série de référence A, éprouvettes non renforcées soumises à une étenduede contraintes dans la section brute de la plaque d'acier de 80 MPa. Avec cette sollicitation, la duréede vie des plaques non renforcées est en moyenne de 375'000 cycles environ.

Pour comparer l'effet des différentes variables d'essai, telles que la précontrainte, l'épaisseur et lemodule d'élasticité des lamelles, le rapport des charges appliquées et le type d'adhésif, les courbes deréférence sont alors celles de la série D ((Ja,? =-47 MPa ; tlam =1.2 mm ; Elam =174 GPa, ; RF =0.4).

La propagation dans l'éprouvette DIa été fortement ralentie après avoir effectué un marquage àl'encre de la fissure. Pour cette raison, les courbes de propagation mesurées sur l'éprouvette Dl n'ontpas été considérées avec les autres résultats. Les éprouvettes Blet GIn'ont pas été testées, à causede leur niveau de précontrainte insuffisant.

La dispersion au sein d'une série est faible pour les séries A, C et D. Elle augmente ,avec la durée devie, car plus les phénomènes de fermeture sont importants plus les effets de légères différences descontraintes ((Ja,mlno (Ja,max, R) entre éprouvettes deviennent importants.

Thèse EPFL 2440

104 Lamelles précontraintes pour le re1~forcement de ponts rivetés endommagés par fatigue

Influence de la rigidité et de la précontrainte des lamelles

L'efficacité du renforcement avec des lamelles en fibres de carbone non précontraintes peut êtreévalué en comparant les résultats des séries A et C (figure 4.24). Grâce aux lamelles en fibres decarbone, la rupture de l'éprouvette survient après un million de cycles et la durée de vie est prolongéed'environ trois fois. L'efficacité du renforcement est significativement améliorée si les lamelles sontprécontraintes (éprouvettes D). Avec une précontrainte de -47 MPa dans la section d'acier et un cyclede contraintes encore complètement en traction, la rupture de l'éprouvette a lieu après environ 1.7millions de cycles. Dans ce cas, l'augmentation de la durée de vie est d'environ 5 fois par rapport àl'éprouvette non renforcée (A), et d'une fois et demie par rapport à une éprouvette avec le même typede renforcement appliqué sans précontrainte (éprouvettes C). Les valeurs d'augmentation sontrésumées dans le tableau 4.27.

Une augmentation de l'épaisseur des lamelles de 0.2 mm (éprouvettes E), correspondant à uneaugmentation du taux de renforcement de 6.2% à 7.2%, améliore considérablement l'efficacité durenforcement et augmente la durée de vie de 1.7 à environ 2.7 millions de cycles. L'effet de la rigiditédes lamelles est encore plus évident si l'on regarde les courbes de propagation des éprouvettes G,renforcées avec des lamelles précontraintes avec un module d'élasticité de 216 GPa et une épaisseurde 1.4 mm (taux de renforcement 8.8%). Le nombre moyen de cycles à la rupture est de 6 millions etcorrespond à une augmentation de la durée de vie, par rapport à l'éprouvette non renforcée, de plus deseize fois.

a [mm]

140

120

100

80

60

40

20

AlA2A3

ClC2

C3D2D3

El

E2E3

G3

G2

G'a.P E 1am t /all1

[MPa] [GPa] [mm] ~

C 0 174 1.2 a:\.,)

b. D -47 174 1.2~C E -47 174 1.4

• G -47 216 1.4 ]A (acier seul)

t,(J = 80 MPa, R F = 0.4

N [cycles]O+-:--...,.----r-----r----r-----r---,----r--~

o

Figure 4.24 - Courbes de propagation: effet de la rigidité du renforcement tlam·Elam et de laprécontrainte (J'a,P

Thèse EPFL 2440


La forme convexe des courbes de propagation des éprouvettes E et G montre que la réductionmaximale de l'étendue du facteur d'intensité de contraintes I1K produite par le renforcement, estcroissante et que le renforcement atteint son efficacité maximale lorsque le front de la fissureapproche le bord extérieur de la lamelle. Une fois que la pointe de la fissure a dépassé la lamelle, àenviron 15 mm du bord extérieur de celle-ci, la courbe de propagation reprend sa forme concavehabituelle et la fissure se propage très rapidement jusqu'à la rupture de l'éprouvette.

Les essais montrent que le renforcement par des lamelles en fibres de carbone augmente également lalongueur critique de la fissure, am provoquant la rupture de l'éprouvette (tableau 4.27). Cela signifiedonc que ce type de renforcement, en plus de prolonger considérablement la durée de vie à la fatigue,réduit également le risque de rupture prématurée sans avertissement (voir aussi chapitre 5, paragraphe5.4.4).

Influence du rapport des charges RF

Bien que l'efficacité de la précontrainte des lamelles sur la durée de vie ait déjà été démontrée par leséprouvettes sollicitées avec un rapport des charges RF particulièrement défavorable de 0.4 (figure4.24), celle-ci est encore plus évidente lorsqu'une partie du cycle des contraintes se trouve encompression. Pour vérifier cette situation de charge, deux éprouvettes (B2 et B3) ont été testées avecun rapport de charges de 0.1. Ce rapport des charges est également plus proche d'une situation réellede chargement pour la plupart des éléments rivetés.

B2

Œa,? E 'am t lam RF

[MPa] [GPa] [nun] [-] Q..,

o B -47 174 1.2 0.1 e:AD -47 174 1.2 0.4 U

-A (acier seul) 0.4 ~~

j

0203

20 B3

a [mm]

140

AlA2

120 A3

100

80

60

40

L10" = 80 MPa, RF = 0.4 et 0.1 N [cycles]

O+--J:"-_~---r-----r-----'r-----.....---'T----r-'----'o

Figure 4.25 - Courbes de propagation: effet du rapport des charges RF =FI1l;,/Fl1lax

Thèse EPFL 2440


Avec un rapport de charges de 0.1, la précontrainte des lamelles en fibres de carbone produit un cyclede contraintes partiellement en compression, beaucoup plus favorable pour l'apparition dephénomènes de fermeture de fissure. Grâce à la précontrainte, l'étendue de contraintes efficace estréduite considérablement et la propagation de la fissure fortement ralentie. Les essais de fatigue surles éprouvettes B2 et B3 ont été arrêtés à respectivement 4 et 5 million de cycles, après avoir observéune propagation des fissures de seulement 7 et 10 mm. La propagation plus rapide dans l'éprouvetteB2 résulte du niveau de précontrainte plus faible par rapport à l'éprouvette B3 (voir aussi figure4.22). L'efficacité maximale des lamelles se produisant pour des fissures plus longues, il est possiblede montrer que ces fissures auraient totalement arrêté de se propager si les essais avaient étéspoursuivis.

Les résultats des essais effectués avec un rapport de charges RF de 0.1 montrent donc qu'enchoisissant un niveau de précontrainte adéquat, le renforcement avec des lamelles en fibres decarbone précontraintes permet d'atteindre des durées de vie infinies. Les résultats des essais defatigue effectuées sur les éprouvettes B2 et B3 montrent également que, grâce à l'effet produit par laprécontrainte des lamelles, le renforcement est aussi très efficace pour ralentir la propagation depetites fissures, dont la pointe n'a pas encore atteint le bord de la lamelle. Avec ce type derenforcement, il est donc possible d'arrêter la propagation de fissures se trouvant encore sous la têtedes rivets et qui ne peuvent pas ou très difficilement être détectées avec les méthodes d'inspectionexistantes.

Influence des caractéristiques mécaniques de l'adhésif

La figure 4.26 illustre les courbes de propagation obtenues avec des éprouvettes renforcées enemployant deux adhésifs ayant des caractéristiques mécaniques et une résistance à la fatiguedifférentes.

FI

F3

N [cycles]

E lam t lam adhésif

[GPa] [mm]174 1.2 SW DP490

174 1.2 SW AF163(acier seul)

t!.u = 80 MPa. RF = 0.4

Œ'a,P

[MPa]A D -47III F -47

A

D2

F2 D3

a [mm]

140

AlA2

120 A3

100

80

60

40

20

O+-''----......----r---...,...---r-----,----r---"'T''""----,o

Figure 4.26 - Courbes de propagation: effet du type d 'adhésif utilisé pour le renforcement

Thèse EPFL 2440


La grande dispersion des résultats de la série F est une conséquence directe de la variation du niveaude précontrainte dans cette série d'éprouvettes (figure 4.21). La comparaison des courbes depropagation des éprouvettes ayant le même niveau de précontrainte (D2, D3 et F2) montre que lesdurées de vie obtenues sont très similaires. Les caractéristiques mécaniques de l'adhésif ne semblentdonc pas avoir une influence déterminante sur l'efficacité du renforcement. En effet, bien quel'éprouvette F2 ait été réalisée en employant le film adhésif SW AF 163, caractérisé par unerésistance statique et à la fatigue supérieures par rapport à l'adhésif bi-composant SW DP490, sadurée de vie à la fatigue n'est pas supérieure à celle des éprouvettes D2 et D3. Les résultats desmodèles numériques confirment cette constatation (chapitre 5).

Résumé des durées de vies et des longueurs des fissures atteintes à la fin de l'essai de fatigue

Les nombres de cycles et les demi-longueurs de fissure atteintes à la fin de chaque essai de fatiguesont résumés dans le tableau 4.27.

Tableau 4.27 - Durées de vie et demi-longueurs de fissures atteintes à la fin de l'essai de fatigue

éprouvette N [cycles] a [mm] fin de l'essai réf. A réf. D

Al 366'000 106 rupture complèteA2 382'000 100 rupture complète 1 -A3 376'000 96 rupture complète

B2 5'084'000 22 - » x 124'000'000 25 -

B3 -

Cl 1'030'000 98 -C2 1'070'000 114 - x3 -C3 l' 160'000 119 rupture complète

................................................................. ;...............

D2 1'675'000 114 - x5 1D3 1'701 '000 115 -

El 2'287'000 126 rupture complèteE2 2'724'000 117 rupture complète x7 x2E3 3'295'000 114 rupture complète

FI 2'360'000 104 -F2 1'564'000 120 rupture complète x5 x 1F3 1'897'000 117 rupture complète

G2 5'190'000 106 - x 16 x4G3 7'028'000 114 rupture complète

4.5.3 Champ de déplacements à la surface de l'éprouvette

Des mesures du champ de déplacements en surface ont été effectuées par interférométrie speckle[Facchini 1999, 1999a, Bassetti 2001] afin d'étudier les phénomènes de délamination entre lerenforcement en fibres de carbone et la plaque d'acier lors de l'avancement du front de fissure dans lazone d'application de la lamelle. La figure 4.28 montre l'évolution du champ de déplacements mesuréà la surface de l'éprouvette C3 à différentes étapes de l'essai de fatigue. Chaque frange d'interférencecorrespond à un déplacement dans le plan de l'éprouvette de 1.35 ).lm. Les déplacements ont étéproduits par une augmentation de la charge de 160 kN à 400 kN. Des mesures analogues, effectuéessur d'autres éprouvettes et d'autres séries, sont présentées et discutées dans l'annexe D.

Thèse EPFL 2440

lOS I,dmr/lr\ l'l'II r>II/Nm/1'1 prI/lr Ir ,('/I{tlN t'1I/t'trI dl' IKII"f rUl'I/'f rmJm"/tIulft'\ ,,.'(' (ali'lllr

:: a_

aJN=O. tI,,= 15111/11

ri) N =800'/J()U: li =5V'? mm

hJ V= 428'(J(J(): li =35./ mm d \' = rH.t"OOO. (1 = ~:.8 mm

J) N = } '107"000 . tl = 97.5 mm

F;g"r~ 4.18 CI.aJnp\ dt.'J, JCI"an'll,ttfH "I('$Ul't', tlla uufau dt J'c-prcllIrcttt> CJ pur''''t'rjl''''IIIt'''''(, VJCdd('

L'c.. olullon /Ju ch.lmp de dCplxcmenl\ me~urt à la urt le de l'érn~.l\cuC' re-rmel de t:an"l:tler lephc.nolllCllc.s \Ul\11l11\ ;

• Au tade 10IIIai fri~urt .L28a ,V =0 Il = 15 mml. le,. frange tl'tnterfere"",C' -.ont çonlmue...L",b..cfk:c de d'')COnlmullc" enlrt le.. t1epl.K:cnlCnl de la Inn~J1C' en llhl'C" dc: carhonc el III plaque(J'nClcr mUl1Irc qU'ULlCUl1 dépl:lCCI1\C1ll rchllli clllre ln 1lllncllc Cl ln pluquc d'nclcr n'u lieu cl quel' adhé,.f prodUIl une conne"iun parfulIC' ~111n: Ic. lleu~ élctnenl ..

• Arre -I1M'OOO qde .la il un: rn:\Cnte une tlcnu·ll'ngueur dt 35,) mm (figure ".1~b) el .1lklJntlclnllc bonllnlcneuf du ronf rttmcnI ~llue Il 1~ mm de I"n~e dl' l'tproU\ClIC. Il CM possible dedb.lllIgucr de faihle... di'oCoI11111UIICS entre le.. d":l1lm.:crnc:lIl .. du rcnlurcclIlcnl el CCU)\ dl' "ndhé~ir Clde la plaque d'. Icr. Cria "Ignrfie dUIK: que 1.1 \ariallun de u,"ll"3lRI~ produit un tkcollen~nl (lUune dclanllnlllilln enlre l'Jdh Il et la plllque d'llt:lcr

• Lof'lillue ln pOIIlll: de ln fi~,urc depa~~ le t'Ion! mlcneur de III lIuucllc Uï1l'urc 4,181.:,N = fWJ'()()(); (1 =../7,8 mm), le.. dl\4;OnllnUl( - de.. dcplacemcnl cnLrr le ttelnJ de la lall~lIc el 13plaque d'uçler de\lcnncnl plu., llnponanb. Il e..l cgalemcnl pt "Iblc de con'ihllCr uneaugmenLallOn des dcplacemclll". donc dc~ dcfonnalloM IIrange.. plu \CITees! ..ur ln prelllicrelllOlllC de 1.1 lam..:llc.

• A\C\: 1"1\,lOccrncnl progre.....I( du lnmlœ Il ..ure, le.. lkh)mlauon de la lamelle uuglllt'.1l1enl et ledc..~ollemC111 au bord Inléneur de la hune Ile 'eu~nd lflgure -1.2:Kd l', =- lJO(fO()(J .. fI = 59,7 mml,La t:lIl1nCXIOTl Il' lont! du bord c:ucneur re'llt pllunanl mll"lC.:le cl le.. dcplat:l:menl\ ne: pr6CI11eniaucune dl~onllnullc

• LoNlue la rK)ll1IC de la Ji'liure nlleml le bort! e'(ICfleur de. 13 lamelle (figure -1.28e:N =Q6.J"OOOO. a = 75.5 mml. le.. frnnge .. d'lI1lc.rfcren"c ur le burd CXlèncur de la lamelle ,ontcolllmue~ el aucun dcplill:emCIU rrlilul cilice IJ pl.1Que d'acier Cl la lamelle n"B heu

• Ver. 1.1 fin de l'CS'''" (figur!" ".1Kf V = 1"/t)7'CKKJ. a = (n.s mm), la fi ....ure dan' la plaqued"al'Ier (r~ .. c,....c complCtclllenll"l/onc d'appllc lIOn de la lamell Le.. dcplatcmenl' de III lamellC'cn fibre... de carbone \001 u",formc~. Le.. (rongC's d'lIllerfcrt:nce le lung dcs deux. bord!. de ID

109

lalllcll~ prt"-.enll'nl dl' dl-.c:nnllnlllu' çur une lonrueur 3. peu J'~ C'qW\aJCDIC clll'khqucm 4uC I~JII"I1~ Je: 13.w~ de dà:tlllcrnrnl 'cu:nJe:nl p31'3l1c1crtlenl a la Il un:.

• L" ,lh\Cncc de lh\Cl;)ntmulIC\ Jc~ lh:placcmcn~ j la ,urfn~c de la l.mICHe monlre que pcndJl1ll'a\:lOCcRlenl de 13 fi urt" ~ la plaque d"ocler 1.3 lamelle de rc:nfon ne utlll aucunendtlfTlfl\J,~emenl el ~IC p..lrfnllc.menl mtacte.

ne c\unlahon dl''' dmlCn..i(lO tic 1.1 lone dt: tkl:mUn:1lloo enlre la rlOUlu,: d"at.:icr cl la lamelle dercnlnrt a cie crfcetuCC' cn -.:ak-ulanl. il Lude de modèle-. fIi1r clcme:nl fml . le hamp de dcr1au::lllC'nha la "uri.-I..'C di: ln lamelle. ~ I:krla~c~n1~ Olll de c:Jkule en Jdmeu::ml (hHérenlo lom)t: dedCl.:ollcml'nl J rmtcrla..:c .Klcr·JJhc If. ne boRIl(' tom pllndano:' entre le:oo. 1!oOIIgnc deder1;k;cmtOl caJcul~ et 1 JepI;K:cmc:n1 me uœ var mterkrllllle1nc . peL.le. Il l'te tfunue enl1lodéll iln! la lone de lkx lIcnlCllt rar une cUir U\l.."C un mppnn de.. dmmetre h/l.: de 1 5lflgurt ....2'>1. CC~ pmronlun d~ loIlone de délaminallon Iml e~aJcn'l(:nl étc cunfinnéc!lo par 1 traceoh...:r.cc<- ur la urfac\."' tk rurcu~ a 1.1 fm tic run dc::~ C .... I Je: 1,1,lIgue, a~ 3\ Ir 'tep3rtl.:umplclcmcnt le.. lumelle.. de 1.1 platlUI: d'ucier de l"epnlU\CllC DI Oc lnèmc, ta locali ;lIIon dudl."t:\lllcmcni .1 rmlcrface ;\I,.1er·adhc If n.: fWI aucun doulé 1(H"\(.jue rlllll~..er.e la urtiKe de ruplure.

-': :Figllr(' ./,19 E.\t'mph· dt tompard/I,m nllrt' Il' cllamp dt'; Jtph,UlPlt'n1.\ wkl,ti par d~m""lf.fi"u(If

atm mc:furt f'dr 'ntt'rfaOlllt'frl(' fJlt"d./e 't'prtJfl\ t'lfr C' \:: f)J' '(}fltl n::·r"",,,,J

4.5,4 Mesures de la précontrainte après l'essai de fatigueLe c.....al de fau~uc dlCClue ur le cpmu\'cttc.. D1. Dl, ri cl I~ onl ele tnlemlOlpu, a\ ant laruplU!\" Ih, urnllon c:omplCtcl tJc: I"cprou\ene_ De. me. UIT" rerit.Jil.jue, ck la t:onimilllc &:t:\Il11pre Ion rrodulle p3r le<. lamelle pnxllnlr.lInt~..un la pl:ktu(' lml cie efiectu(C:) JUloqu·.1 1~Il1m' ..pre, ln fin de 1\-""" tle 1,IIll'lle ltlcure ....101. I.e: lamcll~ en rlhre de carhone som fi~cc" Il laplatlue ,fOklcr umqucmenl p>lr I"mlcmtcdlâllrC' de raJhé If, '>dn au..:un nUlrr I>pe de ~onne'lonmc..:anlque.

I.e, jllu~e, d'e'len"lITIClnc ullh......'C, POUl encetucr c.:e' mé.,urr uni pIncees dun, l'llxe dl:I"CPn.lU\CUC.1 une dhlanl.'C Je: WO nun de I"c trtmil~ de.. la~lIe ct à ISO mm lk rcnHullc (figure....1'11. Ln pro\lmlte de 13 fi .. ure dt' lau!!'uc fall lIue le, colllr.llnlc mcsurec .1 el endroll dumnucnl(1\ Ct l'c"(lcmlOl1 de 10 fis.'ure (figure: ....111.

ihrH' 11'1 J ~·J.JO

110 Lamelles précontraintes pour le rel~forcement de ponts rivetés endommagés parfatigue

Ua.P [MPa]

60,----------------------,

50 -j-------------==----------j-,------j

40

30

20

10

oDP490 / S512 DP490 / S5l2 DP490 / M614 AFI63 / S5l2

D2 D3 G2 FI

f1iJ fabrication de l'éprouvette

o avant l'essai de fatigue

III après l'essai de fatigue

06 mois après l'essai

09 mois après l'essai

f1iJ 12 mois après l'essai

Figure 4.30 - Mesures de la précontrainte dans les plaques d'acier effectuées après les essais defatigue

L'extension de la fissure provoque donc une réduction des contraintes de compression mesuréesavant (ao = 15 mm) et après l'essai de fatigue (a > 100 mm). D'éventuelles pertes de précontrainte aucours du temps ne peuvent donc être évaluées qu'en comparant deux états de l'éprouvette avec lamême longueur de fissure.

,.. -.. • • • • •

.....-ua a a c a a a

,1

<>F

,OF

Œ, [MPal

160

140

120

100

80

60

40

20

oo 10 20 30 40 50

• a mm (F = 400 kN)

a a mil1 (F = 160 kN)

a [mm]60

Figure 4.31 - Réduction de la contrainte principale (sous Fmin et Fmax) mesurée au centre del'éprouvette A3 produite par l'extension de la fissure

Les varIatIons de la précontrainte mesurées jusqu'à 12 mois après la fin de l'essai de fatigue nedépassent pas 18% de la valeur mesurée directement après l'essai de fatigue. Les pertes maximalesont été observées sur l'éprouvette renforcée avec les lamelles les plus rigides (éprouvette G2). Il fautpourtant préciser que les mesures effectuées sont influencées par d'éventuelles variations detempérature à cause de la différence du coefficient d'expansion thermique entre l'acier et les lamelles

Thèse EPFL 2440

III

en nhrec; de c::a.rhonc. l...3 pn.'Conlr.unte lie la plaque d·ll\.lcr peut en eflc:! \uner de %-lr: pour un<."difkrencc de température de ::tIO . A cau~ ll~ dimemIO"' rclnthement Import:lOte" d~ fis.'lure ...par mpJlOr1 ?lIa 131lle de reprouvent. le.... me ure.. de III precOl1lrwnlc SOlll ë~alemclll mOuencec.... po1rd"C\CnluC!s phcnolllènc\ de rela~:l1lon dan"l les zone... pla~li4ues 3U:\ c'lremile5 de III fivmrc. C'C!'!IPOUrqUOI le.. me ure.. cffeclUCC\ ne pcnncllcnl pa.... une evulu:lllon Ire.. préci~ de la pene depn.."l:ontraime au couI' du tCnlp.!>. W perte.. de précomr.unlc enre~I\lree~ ne M'lili pounalll pa::.

"'1~lUfic:Ul\e ....

4.5.5 Résistance à la fatigue de la connexion dans les zones d'ancrage deslamelles CFRP

Le.. lumelle... en fihre tic carbone ont clé lï,u~c~ nu\. plaque.:... mClllllique... umquement parIlntermediaire de radh6i1 U\ ~prou\ellc el D ont cl~ \OOml. ~ a. Te'opecll\emcllt. 1.0 ct 1.7million de C)dc\ 3\CC de etenduc\ de contr:unte<i de 75 MPa d.:1Jb la l'l..que d'acier el de 6~ ~IPa

d:l.I1 le l:unelle en fillrcc; de ca.rbone..an l'(lnçuuer de perte Igruficall\e de pm.:llntr:tJme 00~

Llt.fnilla~'ôdan la zone d'lll'k.-ragc do larndle.. Sur I~ aut~ eproll\cue . sounU a un nombre Lk,"~dc'" encore plu\ mlflOrtanl,la ./.one d'3ncr:J~ de\ lamelle a étc Il ut'tt pend3nl l'e \al de faugue

an..'\: dc," ItlOf"'i ",ur une longueur de 40 mm alm de pre\cmr IOUI problcrTl(" Higure 4.J1l. L'apphcatlon

d'un enon de cOlllprc~... ion !tUI"' la lamelle 117 MPa eO\imnl pennel d'.lugmenler ln r6i~lam;e au

cisaillement de l'udhcsif.. Le.. eprou ....ctle.. ont clé teslcc.~ JUr,qU't1 7 mlillon<, de cyclc~ CI aucUI1

endommagement dnn.. la tone d'ancrage dc\ lamelle.!. ou pene imponnlllc de l:ll'ré(.'ontl"'llilllc n'ont puêtre ob...cl"'vc..""

mors

___ lamelleCFRP

Figun .1.32 • Mors appilqul" dam la :nnc Ifu1K'rd~e des lomd/~s

sur I~( ('"r()jI\"('I1~$B, E. r Cl G

112

4.6

4.6.1

~------------------------

Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés par fatigue

CONCLUSIONS

Efficacité du renforcement par lamelles en fibre de carbone

En limitant l'ouverture de la fissure, le renforcement avec lamelles en fibres de carbone réduitconsidérablement le taux de propagation de la fissure de fatigue. Le renforcement avec des lamellesnon précontraintes et un taux de renforcement de 6.2% augmente de trois fois la durée de vie deplaques avec entaille centrale, sollicitées avec une étendue de contraintes de 80 MPa et un rapport decontraintes de 0.4 (faisant référence à la section brute de l'éprouvette non renforcée).

En exploitant la résistance à la traction extrêmement élevée des matériaux composites, les lamelles enfibres de carbone peuvent être utilisées pour appliquer une précontrainte aux sections fissurées enacier. Grâce à la précontrainte, le rapport des contraintes agissant dans la section fissurée estfortement réduite. Ceci favorise l'apparition de phénomènes de fermeture de fissure et réduitfortement l'étendue de contraintes efficace. La durée de vie de plaques avec entaille centralerenforcées par des lamelles précontraintes (-47 MPa dans la section en acier) et un taux derenforcement de 6.2% est de 5 fois supérieure à celle des plaques non renforcées. Une augmentationde 16 fois de la durée de vie est obtenue en appliquant des lamelles plus rigides (taux derenforcement: 8.8%) et la même précontrainte.

Le renforcement avec lamelles en fibres de carbone précontraintes est particulièrement efficacelorsque la superposition des contraintes générées par la prétension des lamelles et de celles induitespar les charges, produit dans la section en acier un cycle de contraintes partiellement en compression.Seulement 7 et 10 mm de propagation ont été mesurés après 4 et 5 millions de cycles sur deséprouvettes renforcées par des lamelles précontraintes et sollicitées avec une étendue des contraintesde 80 MPa et un rapport des charges RF inchangé de 0.1 (pour un rapport des contraintes dans lasection d'acier R inférieur à -1). En adaptant le niveau de précontrainte, il est donc possible d'avoirune durée de vie pratiquement infinie. Il est possible d'intervenir également sur des petites fissures,dont le front n'est pas encore couvert par la lamelle de renfort. Un renforcement avec lamelles enfibres de carbone précontraintes permet donc d'arrêter la propagation de petites fissures amorcées aubord des trous de rivets, encore couvertes par la tête des rivets et de ce fait ne pouvant pas êtredétectées avec les techniques d'inspection conventionnelles. En outre de prolonger considérablementla durée de vie en fatigue, l'effet de la précontrainte permet d'augmenter la longueur critique de lafissure, am provoquant la rupture.

Les courbes de propagation montrent que l'effet du renforcement, obtenu par une réduction del'ouverture de la fissure, est maximal lorsque la lamelle de renfort se trouve directement derrière lefront de propagation.

4.6.2 Phénomènes de délamination à l'interface acier-adhésif

L'observation de l'évolution du champ de déplacements à la surface de l'éprouvette dans la zoneinfluencée par la propagation de la fissure de fatigue a permis de constater un décollement entre laplaque d'acier et l'adhésif. Cette délamination est probablement provoquée par les fortes variationsde déformations dans la zone plastique en avant de la pointe de la fissure.

Une estimation des dimensions de la zone de délamination a été effectuée en comparant lesdéplacements calculés avec un modèle par éléments finis et les mesures du champ de déplacementsréalisées par interférométrie speckle. Une bonne correspondance du champ des déplacements estobtenue en modélisant la zone de délamination par une ellipse avec un rapport des diamètres de 1:5.Les observations effectuées à la fin des essais de fatigue confirment la forme de la zone dedélamination et montrent que le décollement a lieu à l'interface acier-adhésif.

Thèse EPFL 2440


Les essais de fatigue effectués sur des éprouvettes réalisées en utilisant des adhésifs ayant unerésistance à la fatigue différente ne montrent aucune différence, ni pour les déplacements mesurés à lasurface de l'éprouvette (influencés par la taille et la forme de la délamination), ni pour les courbes depropagation. Les caractéristiques mécaniques de l'adhésif ne semblent donc pas avoir une influencedéterminante sur l'efficacité du renforcement, du moins loin des ancrages des lamelles.

4.6.3 Résistance de la zone d'ancrage des lamelles et pertes de laprécontrainte

Les lamelles en fibres de carbone tendues jusqu'à une contrainte d'environ 650 MPa peuvent êtrefixées aux éléments métalliques directement par le biais de l'adhésif sans nécessiter une connexionmécanique supplémentaire. Les essais conduits jusqu'à 1.7 millions de cycles avec des étendues decontraintes de 75 MPa dans la section en acier et de 62 MPa dans les lamelles en fibres de carbonen'ont pas montré d'endommagement ou de pertes significatives de la précontrainte. Avec unepression appliquée aux extrémités des lamelles précontraintes (17 MPa), la résistance de ce type deconnexion a été vérifiée jusqu'à 7 millions de cycles.

La perte de précontrainte mesurée jusqu'à 12 mois après les essais de fatigue sur quatre éprouvettestestées jusqu'à 7 millions de cycles reste inférieure à 18%. Il faut pourtant préciser que ces mesuressont fortement influencées par des variations de température et que le type d'éprouvette (plaquesfissurées) est peu approprié pour une étude des pertes de la précontrainte à long terme. Les pertes deprécontrainte enregistrées ne sont donc pas significatives.

4.7 REFERENCES

[ASTM 1996 - D 3165-95] ASTM, D 3165-95 - Standard Test Methodfor Strength Properties ofAdhesives in Shear by Tension Loading of Single-Lap-Joint Laminated Assemblies, AnnualBook of ASTM Standards, Vol. 15.06, 1996, pp. 202-205.

[ASTM 1996 - D 3166-93] ASTM, D 3166-93 - Standard Test Method for Fatigue Properties ofAdhesives in Shear by Tension Loading (Metal/Metal), Annua1 Book of ASTM Standards,Vol. 15.06, 1996, pp. 206-208.

[ASTM 1996 - D 4896-95] ASTM, D 4896-93 - Standard Guide for Use ofAdhesive-Bonded SingleLap-Joint Specimen Test Results, Annua1 Book of ASTM Standards, Vol. 15.06, 1996,pp. 404-409.

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