Fissuration en mode mixte I+II du bois à différentes teneurs en eau : expérimentation et proposition d'un modèle de courbe-R

Mixed mode I+II cracking of wood at different moisture contents : experiment and proposal for a R-curve model

• Auteur / Autrice : Cedric Perez
• Direction : Stéphane Morel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 12/07/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Dubois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Morel, Frédéric Dubois, Nuno Miguel Dourado, Octavian Pop, Xiao-Jing Gong, Hubert Maigre, Evelyne Toussaint, Myriam Chaplain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nuno Miguel Dourado, Octavian Pop

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation comportementale (électronique)

Rupture, Mécanique de la

Fissuration

Bois

Mots clés libres

Bois

Modèle de rupture

Courbe-R

Quasi-Fragile

Zone d’élaboration

Propagation de fissure

Mode mixte

Teneur en eau

Wood

Fracture model

R-Curve

Quasi-Brittle

Process zone

Crack propagation

Mixed mode

Moisture content

Résumé

La problématique liée à la fissuration des éléments de structure en bois interpelle les professionnels depuis de nombreuses années. Les risques de fissurations sont intimement liés aux variations climatiques et notamment aux conséquences, en termes de teneur en eau du bois. De plus, en fonction de la géométrie de l’élément et des sollicitations appliquées, les fissures se propagent généralement en mode mixte et de manière intermittente.Cette thèse a pour but de caractériser les propriétés de rupture du bois et plus particulièrement du pin maritime, pour différentes teneurs en eau et pour différents modes de propagations de fissure : en Mode I (ouverture), en Mode II (cisaillement plan) et en mode mixte I+II. Cette caractérisation s’appuie sur la Mécanique Linéaire Elastique de la Rupture équivalente permettant l’estimation de courbes de résistance à la propagation de fissure (courbe-R). Par ailleurs, les propriétés de rupture étant influencées par la géométrie des spécimens d’essais nous avons fait le choix d’utiliser une unique géométrie (Mixed Mode Bending) pour caractériser les propriétés des différents modes de rupture. Ce choix entraine néanmoins un risque élevé d’instabilité de la fissuration dans bon nombre de configurations d’essais et nous avons donc dû recourir à un asservissement en déplacement par voie externe des essais afin de minimiser ces risques. Cette procédure conduit à un taux de réussite des essais (i.e., l’obtention d’une courbe de résistance « complète ») supérieur à 60 % pour les essais de Mode I (Double Cantilever Beam) et plus de 40 % pour les essais de Mode II (End Notched Flexure), toutes teneurs en eau confondues (5 % à 20 %).Parallèlement, nous proposons un modèle de courbe de résistance en mode mixte I+II basé sur les courbes-R des Modes purs I et II et leur dépendance vis à vis de la teneur en eau. Ce modèle, inspiré des modèles de zone cohésive, est composé de deux critères formulés en énergie : le premier est basé sur la résistance à la propagation de la fissure élastique équivalente et s’appuie sur la notion de taux de développement de la zone d’élaboration (FPZ) tandis que le second est fondé sur l’énergie nécessaire au développement de la zone d’élaboration. Le modèle proposé, décrit les courbes-R de mode mixte I+II expérimentales avec une précision satisfaisante et ce quels que soient la teneur en eau et le taux de mixité considérés.

Cracking of wooden structural elements has been a challenge for many years. The risksof cracking are closely tied to climatic variations and especially to their consequences, interms of moisture content variations of wood. Besides, cracks usually spread in mixed mode and intermittently as a function of the geometry and stresses applied.The aim of this thesis is to characterize the fracture properties of wood and more specifically the maritime pine, for various moisture contents and crack mode propagation : in Mode I (opening mode), in Mode II (shear mode) and in mixed mode I+II. Fractureproperties of wood are characterized within the framework of equivalent Linear ElasticFracture Mechanics (eqLEFM) leading to the estimation of resistance to crack growthcurves (R-curves). Since specimens’ geometry affects fracture properties, a single geometry (Mixed Mode Bending) is used to characterize the properties of the different fracture modes. However, this choice leads to a high risk of unstable failure in many test configurations. Therefore, we had to use to an external displacement control technique to minimize these risks. This method allows to obtain a "complete" resistance curve for more than 60 % of opening tests (Double Cantilever Beam) and above 40 % for shear tests (End Notched Flexure), all moisture contents combined (5 % to 20 %).At the same time, we developed a resistance to crack growth model expressed in mixedmode I+II based on Mode I and Mode II’s R-curves, taking into account moisture content. This model, inspired by cohesive zone models, is based on two failure criteria expressed into energy : the first one is based on the resistance of elastic equivalent crack growth and relies on the notion of development rate of the process zone (FPZ), while the second one is based on the energy needed to develop the fracture process zone. The proposed model describes with a reasonable accuracy the experimental mixed mode I+II R-curve and this whatever the moisture content and the rate mixity are.