Contribution de la mécanique de la rupture et des techniques ultrasonores pour l’inspection et la surveillance des ouvrages en bois

Contribution of fracture mechanics and ultrasonic techniques in timber structures inspection and monitoring

• Auteur / Autrice : Sonagnon Jérôme Afoutou
• Direction : Frédéric Dubois, Mokhfi Takarli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 12/12/2023
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Génie Civil, Diagnostic et Durabilité
• Jury : Président / Présidente : Xiao-Jing Gong
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rostand Moutou Pitti, Eric Rosenkrantz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Djimédo Kondo, Nathalie Godin
• DOI : 10.70675/58af4831zc4a9z42b7zb95dzc3eaa0d3784d

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ultrasons

Mécanique de la rupture

Bois

Mots clés libres

Matériau bois

Mode mixte

Méthode des ultrasons

Localisation acoustique

Vision 3D

Wood material

Mixed-Mode fracture

Ultrasonic methods

Acoustic localization

3D vision

Résumé

Les techniques de construction et de restauration respectant l’environnement passent aussi par la promotion du bois et de ses dérivées. L’utilisation et la durée de vie résiduelle des structures en bois sont souvent mises en cause par les problématiques liées à la fissuration. Dans le but d’apporter des outils pour la compréhension des cinétiques de fissuration dans les structures en bois, ce mémoire traite du monitoring des ouvrages bois en service et, plus particulièrement, du suivi du front de fissure dans l’épaisseur. Une approche numérique a permis de modéliser le front de fissure volumique. Ces structures étant généralement sous sollicitations complexes, une procédure de découplage de modes de rupture, via l’intégrale M, permet de quantifier la contribution de chaque mode élémentaire de rupture dans le processus de fissuration. La vision 3D permet de mettre en exergue l’influence de chaque mode de rupture et surtout d’avoir leur distribution le long du front de fissure. Pour prendre en compte les gradients d’humidité interne dans les sections transversales des éléments de structure, une formulation mathématique de l’intégrale A est développée. D’un autre côté, l’approche expérimentale repose sur le modèle empirique de Hankinson 3D développé et validé sur la base des mesures de vitesses de propagation d’ondes ultrasonores. Une procédure d’optimisation, grâce au couplage des formules analytique et empirique de vitesses de propagation d’ondes dans un milieu orthotrope, permet de déterminer la totalité des composantes de la matrice de rigidité du matériau bois, et ce, uniquement à partir des ondes de compression et d’un seul échantillon de bois. Sur la localisation des sources acoustiques, des algorithmes développés ont permis de localiser avec succès des sources d’émission avec des hypothèses d’orthotropie cartésienne. Enfin, une réflexion est entamée dans le cas d’une orthotropie cylindrique.

Environmentally-friendly construction and restoration techniques also involve the use and promotion of wood and its derivatives. The use and residual lifetime of timber structures are often compromised by cracking-related issues. With the aim of providing tools for understanding cracking kinetics in timber structures, this thesis deals with the monitoring of timber structures in service and, more specifically, the monitoring of the crack front in the thickness. A numerical approach was used to model the volume crack front. As these structures are generally subject to complex stresses, a procedure for decoupling failure modes using the M integral is used to quantify the contribution of each elementary failure mode to the cracking process. The 3D view highlights the influence of each fracture mode and, above all, their distribution along the crack front. To take account of internal moisture gradients in the cross-sections of structural elements, a mathematical formulation of the A integral is developed. On the other hand, the experimental approach is based on the empirical Hankinson 3D model developed and validated on the basis of ultrasonic wave propagation velocity measurements. By coupling the analytical and empirical formulas for wave propagation velocities in an orthotropic medium, an optimization procedure is used to determine all the components of the wood material's stiffness matrix, and all this from compressional waves and a single wood sample. Regarding acoustic source localization, algorithms have been developed to successfully locate emission sources with Cartesian orthotropy assumptions. Finally, a discussion has begun on the case of cylindrical orthotropy.