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Ngoc Anh PHAN

Projet VS2C

JOURNEE THESES DES BOISBordeaux, Jeudi 2 Juillet 2015

Université de Bordeaux, I2M/Dépt. GCEna.phan@i2m.u-bordeaux1.fr

Directeur de thèse: Pr. Stéphane MOREL

Co-encadrante : Myriam CHAPLAIN

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Acoustique Physique (APY)

Durabilité des Matériaux, des Assemblages et des Str uctures (DUMAS)

Génie Civil et Environnemental (GCE)

Ingénierie Mécanique et Conception (IMC)

Matériaux, Procédés, Intéractions (MPI)

Fluides et Transferts (TREFLE)

Institut de Mécanique et d’Ingénierie de Bordeaux

UMR 5295 - Université de Bordeaux/ CNRScréé le 1er janvier 2011

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Institut de Mécanique et d'Ingénierie (I2M) Dép. Génie Civil et Environnemental (GCE)

Resp. du Dép. : Pr. Denys BREYSSE

GT1

Endommagement et phénomènes physiques associés

GT2

Interactions : sol, sous-sol, eau et environnement

GT3

De la mesure à la décision sous incertitude : diagnostic, optimisation et fiabilité

mécanique

modélisation de l’incertain

géosciences

métrologie

http://i2m.u-bordeaux.fr/departements/genie-civil-et-environnemental-gce.html

Contexte et introduction

Essais de rupture en mode d’ouverture de fissure (mode I)

Modélisation de la propagation de fissure sous HR variable

Conclusions et perspectives

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Contexte et introduction

Essais de rupture en mode d’ouverture de fissure (mode I)

Modélisation de la propagation de fissure sous HR variable

Conclusions et perspectives

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VS2C : Vulnérabilité des Structures bois aux Changements Climatiques :durée de vie et fiabilité des éléments structuraux sous sollicitationscomplexes.

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L’objectif: mieux quantifier la durée de service des composants bois sou mis

à des environnements réels

fiabiliser le dimensionnement des ossatures bois

promouvoir la construction bois par rapport aux modes deconstructions françaises « traditionnelles » (béton armé, maçonnerie)

Réglementation à améliorer vis-à-vis des conditions climatiqueschangeantes (prise en compte du changement climatique, effets desvariations journalières, saisonnière, annuelles de l’humidité relative HR et de latempérature…)

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Humidité relative

Bois: * hygroscopique* quasi-fragile

http://www.ledraveur.com/html/charpentes.html

Durée de vie

Nœud,Fissure

Problématique : durabilité des constructions en bois sous les variations climatiques attendues:

Concentration de contrainte au voisinage des singularités (nœud, fissure de séchage, entaille…)

Couplage entre mécanique de la rupture et sollicitations climatiques

Objectif de thèse : prédire l’évolution de la fissuration jusqu’à la rupture sous des conditions d’humidités

variables mieux quantifier la durée de vie des composants bois soumis à des environnements

réels

Contexte et introduction

Essais de rupture en mode d’ouverture de fissure (mode I)

Modélisation de la propagation de fissure sous HR variable

Conclusions et perspectives

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Éprouvettes mTDCB (modified Tapered Double Cantilever Beam)

pin Maritime.

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Essai monotone sous 10 teneurs en eauDéterminer les critères de propagation et les paramètres du modèle cohésive

Essais de fluage dans une enceinte climatique Evolution de la fissure sous HR variable (température constante)

Temps à rupture

(mm)

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Essai monotone Essai de fluage (dans l’étuve)

• Plusieurs niveaux de charge• Charge constante : 55% - 90% Fmax

(Fmax obtenue lors de l’essai monotone)

10 teneurs en eau : 5%, 8%, 10%, 12%, 15%, 18%, 20%, 22%, 25%, 30%(environ 300 éprouvettes)

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Comportement adoucissant bilinéaire dans le MZC

Joint element 2D, 3D

Expérimental: essai monotone

Fracture Process Zone

(FPZ)

(FPZ)

(FPZ)

4 paramètres

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Champ de contraintes(MC = 12%)

Phan N.A., Chaplain M., Morel S., Wood moisture content influence on R-curve and on parameters ofcohesive zone model, European Conference on Fracture, ECF20 , Trondheim, Norway, 2014

Pour 3 teneurs en eau (8%,12%,30%)

a0 ∆ac

Taille critique de la FPZ

MC ~ 12%

Contexte et introduction

Essais de rupture en mode d’ouverture de fissure (mode I)

Modélisation de la propagation de fissure sous HR v ariable

Conclusions et perspectives

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Phan N.A., Chaplain M., Morel S., Simulation of crack propagation in mode I of wood by integrating the rapidvariation of moisture content into a new cohesive zone model, 12ème Colloque national en calcul des structures,CSMA, Giens, 2015

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La loi de Fick pour le transfert de masse en tridimensionnel:

où avec α ∈ (L,R,T).

= ()

+ ()

+ ()

Teneur en eau de surface = Teneur en eau d’équilibre obtenue à partir de la courbed’équilibre (RH-MC)

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= ≥ → ≤ ≤ → ≥

L'effet hygro-verrou et la mémoire de l'humidité reflètent la capacité du matériau à:

o mobiliser son énergie libre pour le blocage de la déformation lors du séchage souschargement

o libérer cette déformation après le déchargement lors d’humidification

0.5!"#!$%# 0.5!"#!& = !$%# +!"#

[Husson 2009], [Dubois et al (2010,2012)]

[J. Gril 1986,1988]

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Cariou 1987 , Caractérisation d’un matériau viscoélastique anisotrope : le bois, Thèse de doctorat, Université de Bordeaux 1, 1987

[Husson 2009], [Dubois et al (2010,2012)]

Dans cette étude:

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Γu

Γc

ΓfΩ1

Ω2

Ω = Ω1 U Ω2 T=T(∆)

TnTs

∆∆n

∆s

Γc

Γc

Γc

Traction free crack surface

Potentialcrack path

Cohesivecrack tip

Cohesivesurfaces

F

f

= ≥ → ≤

≤ → ≥

12) * + !,-. + !0-.

123 + * 4(1 + 5())6Δ2Γ9

:;= * <6=23 + * >6=2Γ?

:@1

Bilan énergétique

≥ → 5 ≤ ≤ → 5 ≥ external work

strain energy(internal energy)

dissipated energy

Phan N.A., Morel S., Chaplain M., On the development of a cohesive model for crack propagation in wood under relativehumidity variations, the fourth International Conference on Computational Modeling of Fracture and Failure of Materials andStructures, CFRAC, Paris, 2015

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• Phase de séchage: δF augmente ou reste stable• Phase d’humidification: δF ne change pas ou diminue légèrement

A l’instant t = 3.5 jours, la propagation devient instable et entraine la rupture Le temps à rupture

Niveau de charge : 85% Fmax + cycles d’humidification/séchage

Evolution de déplacement Evolution de la longueur de fissure

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Niveau de charge: 90%

Déplacement

La teneur en eau

Section transversale de l’éprouvette mTDCB

Contexte et introduction

Essais de rupture en mode d’ouverture de fissure (mode I)

Modélisation de la propagation de fissure sous HR variable

Conclusions et perspectives

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Les paramètres du modèle de zone cohésive dépendentde la teneur en eau

MC Gf wc ft Gfb/Gf

Développement d’un modèle qui traduit l'influence de lateneur en eau sur la zone cohésive

∆MC < 0 ∆a ≥ 0

∆MC > 0 ∆a ~ 0 ou ∆a < 0

Ce modèle permet de modéliser la propagation de lafissure sous des variations d’humidité

Les prévisions de la durée de vie sont satisfaisantes

a: la longueur de la fissure

Prédire le temps à rupture d’éléments destructures en bois sous des conditionsenvironnementales simulées à partir d’un modèledéveloppé à l’I2M / GCE (Breysse et al, 2014).

Projet VS2C : amélioration de la réglementation àl’aide de coefficients correctifs minorant larésistance selon la durée de charge et l’étatd’exposition à l’humidité (utilisation d’un coefficientmodérateur kmod dans l’Eurocode 5 ).

Dispositifs d’essais de fluage-fatigue en flexion dans une chambre climatisé (25m2) (I2M/GCE)

Essais : 3 mois 2 ans

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Remerciement• Ce travail est financé par le Conseil Régional d'Aquitaine et par le CODIFAB (Projet VS2C). Nos

remerciements vont également à l'Agence nationale de recherche française (ANR) qui a financé la plateformed’essais Xyloplate (Equipex Xyloforest (ANR-10-EQPX-16)). Merci à l'équipe du MCIA de l’université deBordeaux pour la mise à disposition d’un cluster de calcul puissant.

• Merci à Monsieur Dubois (Université de Limoges, GEMH-GCE) pour sa participation au projet VS2C et lepartage de ses connaissances et modélisations sur la diffusion et sur le comportement mécanosorptif.

JOURNEE THESES DES BOISBordeaux, Jeudi 2 Juillet 2015

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Ngoc Anh PHAN

Projet VS2C

JOURNEE THESES DES BOISBordeaux, Jeudi 2 Juillet 2015

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Directeur de thèse: Pr. Stéphane MOREL

Co-encadrante : Myriam CHAPLAIN

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Teneur en eau

Temps de diffusion : 120 min

La loi de Fick pour le transfert de masse en tridimensionnel:

= ()

+ ()

+ ()

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Charge constanteNiveau de charge: 75%

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• Réalisation de cycles : MCsurf varie entre 8% et 16% .

• Charge : 180 N (~ 85%Fmax)

• La teneur en eau en fond de fissure (MCFPZ) est toujours maintenue à 12%.

• Pas de diffusion dans le bois

Résultat:

Phase de séchage : le déplacement δF et la longueur de la fissure a augmentent

Phase d’humidification : δF et a ne changent pas.

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Distribution de la teneur en eau aux joints