Étude numérique de la fissuration d'un milieu viscoélastique : analyse de l'essai de rupture sur bitume

Numerical study of the cracking of a viscoelastic medium : analysis of the fracture test on asphalt

• Auteur / Autrice : Hoai Nam Nguyen
• Direction : Alain Ehrlacher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structures et matériaux pour génie civil
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris Est
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Ehrlacher, Christophe Petit, Yves Berthaud, Tanguy Rouxel, Jean-Éric Poirier, Ferhat Hammoum, Emmanuel Chailleux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Propriétés mécaniques

Bitume

Matériaux bitumineux

Rupture, Mécanique de la

Viscoélasticité

Simulation par ordinateur

Matériaux -- Fissuration

Résumé

Ce travail de thèse est consacré à l’étude des phénomènes d’initiation et de propagation d’une fissure dans un matériau bitumineux. À l’aide d’un essai innovant développé au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, on reproduit les conditions d’initiation et de propagation d’une fissure confinée dans un film de bitume. Dans la première partie de ce travail de thèse, on aborde l’approche utilisée pour identifier les propriétés rhéologiques à l’aide du modèle de Maxwell généralisé. La détermination des séries de Prony passe par les méthodes d’optimisation linéaire et non-linéaire pour représenter précisément le module complexe du liant bitumineux dans le domaine fréquentiel. Ce comportement viscoélastique identifié est ensuite validé par l’essai de fluage sur un barreau de flexion trois points dans le domaine temporel. Dans la deuxième partie, on aborde la modélisation numérique de l’essai de rupture locale en tenant compte à la fois de la viscoélasticité du matériau et de la cinématique d’ouverture de la fissure. Globalement, on montre que la simulation numérique reproduit bien les différentes phases de l’essai. La simulation numérique de la phase d’étirement du film de bitume permet de déterminer le coefficient de Poisson du matériau. On présente également l’analyse locale des champs de contrainte et de déplacement au voisinage de la pointe de fissure pour évaluer le facteur d’intensité de contrainte et le facteur d’ouverture de la fissure. L’exploitation des résultats obtenus permet de préciser la dépendance du facteur d’intensité de contrainte vis-à-vis de la vitesse de chargement.

This thesis is devoted to study the phenomenon of initiation and propagation of a crack in a bituminous material. By applying an innovative test developed at LCPC (French PublicWorks Research Institute), we reproduce the conditions of initiation and propagation of a crack in a confined film of bitumen. The first part of the study introduces the approach which is used to identify the rheological properties by the generalized Maxwell model. The determination of Prony series is done by linear and non-linear optimization methods so that the complex modulus of asphalt binder could be accurately described in the frequency domain. The calibration of the viscoelastic model is then validated by comparing simulation of the three point bending test in the time domain. In the other part of the study, both viscoelasticity of the material and the kinematics of crack opening are taken into consideration in the numerical modeling of the local fracture test. The finite elements analysis exibits the different stages of the test during the initial, final loading and the crack development process. The numerical simulation of the first traction stage of the bituminous film is 150 particularly used to determine the Poisson ratio of the material. Then the analysis focuses in local fields of stress and displacement near the crack tip in the aim of evaluating the stress and opening intensity factor of the crack. The interpretation of the results clarifies the dependence of the intensity factors to the speed of loading.