Étude expérimentale et numérique des problèmes de contact unilatéral et de frottement sec dans les assemblages verriers

Experimental and numerical study of dry fiction and unilateral contact problems in glass connections

• Auteur / Autrice : Adrian Panaït
• Direction : Qi-Chang Hé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Université de Marne-la-Vallée (1991-2019)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Assemblages (technologie)

Éléments finis, Méthode des

Simulation par ordinateur

Construction en verre

Tribologie (technologie)

Résumé

L’utilisation du verre en tant que matériau structural constitue une innovation technique dans le domaine de la construction. Des ouvrages en verre, et en particulier des façades en verre, de grande dimension ont été réalisés à l’aide des systèmes d’assemblage dont le comportement mécanique n’était pas bien maîtrisé. L’objectif de ce travail de thèse est double. D’abord, il consiste à appréhender et modéliser de façon systématique le comportement mécanique des assemblages verriers éclissés dans lesquels la transmission des efforts tangentiels s’effectue par frottement. Ensuite, il vise à fournir un outil efficace d’aide à la conception et à l’optimisation des assemblages verriers éclissés. Les problèmes mécaniques concernés sont complexes car des phénomènes fortement non linéaires tels que le contact unilatéral et le frottement sec y sont impliqués. Pour atteindre l’objectif fixé, nous avons développé une approche couplée, expérimentale et numérique. Dans un assemblage verrier éclissé typique, des intercalaires en aluminium sont placés entre les plaques de verre et les éclisses métalliques. La caractérisation précise du frottement entre le verre et l’aluminium est donc indispensable pour assurer la sécurité et le bon fonctionnement d’un tel assemblage. Ainsi, nous avons conçu et mis en place un tribomètre original et réalisé une étude expérimentale systématique. La faible dispersion des résultats a permis d’identifier avec précision le seuil de glissement et de quantifier la variation du coefficient de frottement avec le temps de contact et le trajet de chargement normal. Cette variation, qui peut atteindre jusqu’à 65-70 % par rapport au coefficient de frottement initial, est modélisée par l’introduction d’une variable interne. Une interprétation micromécanique faisant apparaître la contribution du fluage des aspérités et des zones à forte adhésion est également fournie pour expliquer physiquement cette variation. Le problème de contact unilatéral avec frottement posé par un assemblage verrier éclissé est numériquement résolu à l’aide du code aux éléments finis MSC Marc, dans lequel la loi proposée et identifiée pour décrire le frottement entre le verre et l’aluminium est implantée. Le modèle numérique, validé par des essais en vraie grandeur, donne la distribution des contraintes et la répartition des pressions de contact dans l’assemblage sous l’action combinée de la force normale de précontrainte et de la force tangentielle appliquée. En particulier, l’évolution de la zone de contact et la coexistence des zones d’adhérence et de glissement sont mises en évidence et en bon accord avec des résultats théoriques existants. Ce travail de thèse permet désormais d’aborder la conception et l’optimisation des assemblages verriers éclissés par une approche rationnelle au lieu d’une démarche empirique qui a prévalu jusqu’à présent

The use of glass as structural material can still be considered as an innovative building technique. Glass elements and especially large dimensions glass facades were realised using assembling systems whose mechanical behaviour has not been well understood. The objective of this work is twofold. Firstly, it consists in systematically seizing and modelling the mechanical behaviour of spliced glass connections transmitting tangential loads by friction. Then, it aims at providing an efficient tool for the design and optimization of spliced glass connections. The resulting mechanical problems are complex because highly nonlinear phenomena such as unilateral contact and dry friction are involved. To achieve the objective, a coupled, experimental and numerical, approach is developped in this work. In a typical spliced glass connection, soft aluminum pads are used as inserts between metallic splice plates and glass plates. A precise characterization of the friction between aluminum and glass is then the key both to ensure the safety and the well functioning of such an assembling system. To this end, an original tribometer is designed and constructed and systematic tests are performed. The weak standard deviation of the results makes it possible to precisely identify the sliding limit and quantify the frictional coefficient variation with the contact duration and the normal loading path. This variation can raise up to 65-70% of the initial friction coefficient and is modelled with an internal variable. A micromechanical interpretation accouting for the asperity creep and highly adhesive area contributions is also given in order to physically explain this variation. The unilateral frictional contact problem posed by a spliced glass connection is numerically solved using the MSC MARC finite element code in which the friction law proposed and identified on the basis of the experimental investigation is implemented. The numerical simulations, validated by full scale tests, provide the stresses and contact pressure due to the combined action of the bolt’s tightening and an tangential loading. The contact area evolution and the co-existence of slip and adhesion zones inside the contact area are identified and shown to be in good agreement with existing theoretical results. Henceforth, this work makes it possible to approach the design and optimisation of spliced glass connections in a rational way instead of the empirical one that has prevailed up to now