Une thèse a été réalisée au sein de l'Université de Bordeaux afin de mieux connaitre le comportement du bois soumis à des conditions d'humidité relative de l'air variable ; les résultats de cette thèse, soutenue en 2016, sont destinés aux chercheurs qui développent en continue les connaissances sur le matériau bois.
Titre :
Simulation de la propagation de fissures dans un matériau quasi-fragile soumis à des variations d’humidité relative selon une approche de zone cohésive: application au bois
Résumé :
Cette thèse est consacrée à la simulation du comportement à la rupture de bois sous des chargements à long terme et sous des conditions d'Humidité Relatives (HR) de l'air variables. Il est connu que le bois est un matériau fortement hygroscopique, ses propriétés mécaniques et de rupture sont en effet très dépendantes de sa teneur en eau. En outre, la stabilité d'une fissure existante dans un élément structural peut être fortement influencée par les variations, en particulier brusques, d'humidité relative qui peut conduire à la rupture inattendue de l'élément.
L'approche thermodynamique proposée intègre l'effet de mécanosorption dans l'expression analytique de la déformation, en découplant les déformations mécaniques et celles dues au comportement mécanosorptif du matériau. En outre, la rupture quasi-fragile du matériau bois est traduite par un modèle de zone cohésive dont les paramètres de cohésion sont fonctions de la teneur en eau afin de simuler l’effet de l'humidité sur les propriétés de rupture. Sur cette base, une formulation incrémentale permet l'intégration de l'effet des variations soudaines d’humidité relative (autrement dit, le choc hydrique) sur la zone d’élaboration (zone cohésive) en introduisant un champ de contraintes supplémentaires le long de cette zone. Fonction de la variation de HR, ce champ de contraintes supplémentaires dépend de l'état de contrainte et de l'ouverture de la fissure le long de la zone cohésive, mais également de l'humidité en pointe de fissure (matériau non endommagé). Dans l'analyse par éléments finis, un opérateur tangent algorithmique est utilisé pour résoudre le problème non linéaire en combinant le modèle de mécanosorption et le modèle de zone cohésive et en intégrant l'effet du choc hydrique.
La simulation du comportement d'une éprouvette entaillée soumise à un chargement constant et à des variations cycliques de HR montre un fort couplage entre le comportement mécanosorptif et l'effet du choc hydrique HR sur la zone d’élaboration. Ce couplage entraîne une augmentation de la propagation des fissures et conduit à une fissuration plus précoce par rapport à celle obtenue à partir du modèle de mécanosorption seul ou à partir du modèle de zone cohésive en intégrant l'effet des variations soudaines de HR. En outre, le couplage entre le modèle mécanosorptif et le modèle de zone cohésive en intégrant l'effet du choc hydrique montre l'intérêt d'une telle approche numérique pour décrire le comportement complexe des éléments de charpente en bois soumis à des conditions climatiques variables, comportement qui ne peut être prédit par une simple superposition des deux modélisations.
Mots clés :
quasi-fragile, variations d’humidité relative, bois, zone cohésive, fracture process zone, propagation de fissure, mécanosorption, couplage.
Unité de recherche
L’Institut de Mécanique et d’Ingénierie au département Génie Civil et Environnemental à l’Université de Bordeaux