Modélisation numérique de l interface collée pultrudé béton

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1 Modélisation numérique de l interface collée pultrudé béton Ibrahim ALACHEK *1, Nadège REBOUL 1 et Bruno JURKIEWIEZ 1 * Ibrahim.alachek@univ.lyon1.fr 1 Université Claude Bernard Lyon1, laboratoire des matériaux composites pour la construction Le 25 novembre 216 Club Cast3M 216

2 Contexte & Enjeux Béton GFRP Connexion à l interface par collage. Avantages Rapidité de mise en œuvre Résistance contre la corrosion Rapport résistance-poids élevé Réduction des coûts Moindre incidence des intempéries sur le déroulement du chantier Environnement contrôlé pour la production de béton Club Cast3M 216 Transparent 2

3 Objectifs L étude vise à: Garantir la qualité, la fiabilité.. Objectifs Améliorer la performance mécanique des assemblages béton-gfrp Étudier la distribution des contraintes à l interface Améliorer les connaissances sur le comportement instantané de ce type d assemblage Club Cast3M 216 Transparent 3

4 Essai de caractérisation Zone de collage Contrainte de cisaillement h L Essai de poussée «Push out» C est un essai de cisaillement pour caractériser le joint et tester sa capacité de transférer les efforts Cet essai convient pour traduire le plus fidèlement possible l état de sollicitation du joint ( traction/cisaillement) Club Cast3M 216 Transparent 4

5 Sommaire I. Modèle numérique I.1 Géométrie I.2 Stratégie de maillage I.3 Principales hypothèses I.4 Défis de simulation II. Pré-simulations élastiques III. Simulations dans le domaine non linéaire III.1 Modèles retenus III.2 Résultats et discussion IV. Conclusions & Perspectives Club Cast3M 216 Transparent 5

6 2 mm 15 mm Géométrie Tube carré creux pultrudé 5 mm Zone collée 5 mm Dallette du béton 1 mm 1 mm 1 mm Club Cast3M 216 Transparent 6

7 1 mm 5 mm y z x F Géométrie à modéliser 3D View Symétrie Déplacement imposé Top View 1 mm 1 mm 1 mm Concrete substrate 5 mm 8 mm GFRP square tube Époxy Seal Club Cast3M 216 Transparent 7

8 Stratégie de maillage Maillage très fin autour de l interface La contrainte est très importante autour et dans la zone à proximité du joint collé Maillage moins serré Dans les zones où les chargements ou les conditions limites sont imposés afin de limiter au maximum les effets de concentration et gradients de contraintes. Club Cast3M 216 Transparent 8

9 Hypothèse n 1 Principales hypothèses Il existe du frottement entre le bloc du béton et la plaque de presse Tous les déplacements en pied de bloc ( z = ) sont bloqués pour tenir compte du frottement possible des blocs sur la presse. Z=25 mm Z=2 mm Hypothèse n 2 Z=5 mm Z= mm La longueur caractéristique est de trois fois la taille de la plus grande hétérogénéité [Bazant & Pijaudier-Cabot, 1989], soit Lc =3x8=24mm z x Club Cast3M 216 Transparent 9

10 Défis de simulation Difficultés du problème Un nombre trop important de nœuds, pénalisant en terme d utilisation de la mémoire vive Non-linéarité du comportement du béton, due de la fissuration par traction du béton principalement la construction de la matrice de connectivité nécessite des capacités mémoires considérables, elle limite la génération du maillage et le choix de la longueur caractéristique Problème non-linéaire Méthode itérative découplée de type Newton-Raphson approché Code de calcul aux éléments finis Cast3M [Cast3M, 215] Club Cast3M 216 Transparent 1

11 Pré-simulations élastiques

12 Contrainte de cisaillement sxz (MPa) Contrainte axiale normale szz (MPa) Zone de post traitement Pré-simulations élastiques Comparaison entre les éléments tétraédriques et hexaédriques z y x Szz-CU2 Szz-CUB Szz-TET Sxz-CU2 Sxz-CUB8 Sxz-TET h (mm) -3 h (mm) Les courbes ont les mêmes allures générales et sont presque confondues Les éléments d interpolation linéaire réduisent le temps de calcul Club Cast3M 216 Transparent 12

13 Contrainte normale perpendiculaire sxx (MPa) contrainte de ciasaillement sxz (MPa) Contrainte axiale normale szz (MPa) Zone de post traitement Pré-simulations élastiques Comparaison entre éléments massifs et éléments d interface 5 z y x Sxx-TET4-LIAI Szz-TET4-LIAI3 2 Sxx-TET4-Massifs Szz-TET4-Massifs Sxz-TET4-LIAI Sxz-TET4-massifs -3-1 Z (mm) -12 Z (mm) -35 Z (mm) Club Cast3M 216 Transparent 13

14 Contrainte normale perpendiculaire (MPa) Contrainte de cisaillement (MPa) Contrainte axiale normale szz (MPa) Zone de post traitement Pré-simulations élastiques Comparaison entre éléments massifs et éléments d interface z y x -4-1 Szz-CUB8-LIA4 2 1 Sxx-CUB8-LIA4 Sxx-CUB8-Massifs -6-8 Sxz-CUB8-LIA4 Sxz-CUB8-Massifs Szz-CUB8-Massifs h (mm) -12 h (mm) -35 h (mm) Les éléments joints réduisent de façon considérable les temps de calcul: on divise par environ 2 le nombre de nœuds et obtient des résultats similaires au calcul massique classique. Club Cast3M 216 Transparent 14

15 Variable/réference Pré-simulations élastiques Test de convergence (Patch test) Elements CUB8 Point de référence 2,5 2 1,5 Convergence z y x 1, Nombre de Noeuds Deplacement vertical UZ Contrainte normale perpendiculaire Contrainte normale axiale Contrainte de cisaillement déformations de cisaillement Deplacement horizontale UX Club Cast3M 216 Transparent 15

16 Variable/réference 1,4 Pré-simulations élastiques Test de convergence (Patch test) Elements TET4 1,2 Convergence 1,8 Point de référence,6,4, nombre de noeuds z y x Contrainte normale perpendiculaire Contrainte normale axiale Contrainte de cisaillement Deplacement horizontal UX Deplacement vertical UZ Déformations perpendiculaires Déformations verticales Déformations de cisaillement Club Cast3M 216 Transparent 16

17 Contrainte de cisaillement (MPa),5 Pré-simulations élastiques Test de convergence (Patch test) Elements TET4 -, ,5-2 Zone de post traitement -2,5 z y -3 x h (mm) Club Cast3M 216 Transparent 17

18 Contrainte d ecisaillement (MPa) -,5 Pré-simulations élastiques Test de convergence (Patch test) Elements TET ,5-2 -2,5-3 -3,5 z y Zone de post traitement -4 x y (mm) Club Cast3M 216 Transparent 18

19 simulation dans le domaine non linéaire

20 Comportement du béton Modèle numérique Béton Couplage endommagement et plasticité Concept de la contrainte effective Surface endommagée (vides, fissures) Surface effective S = S S D Surface totale contrainte effective σ = σ 1 D E = E(1 D) A c A t B c B t ε D r c r t γ 1,37, ,2 E ,99 p a A h B h C h α k,3-1 7E-5 3E-3 3E-6,5,1 Club Cast3M 216 Transparent 2

21 Modèle numérique Comportement du profilé GFRP Comportement élastique orthotrope ε L ε T ε R γ TR γ LR γ LT = 1 ν TL E L E T ν LT 1 E L E T ν LR E L ν RL E R ν RT E R ν TR 1 E T E R 1 G TR 1 G LR 1 G LT σ L σ T σ R τ TR τ LR τ LT E L E T =E R G υ LT υ TR =υ LR 25 GPa 7 GPa 3 GPa,28,12 Club Cast3M 216 Transparent 21

22 Simulation avec des éléments finis Spéciaux Elément d interface (Goncalves 22) continuité des déplacements à l interface σ = Dδ = k s k t k n δ s δ t δ n k s = k t = E 2 e (1+ν) et k n = E e (KN/m 3 ) k s et k t k n 2,65 KN/mm 3 6,9 KN/mm 3 Pour le joint d adhésif: Eléments joint à 3 nœuds (LIA3) Club Cast3M 216 Transparent 22

23 Simulations dans le domaine non linéaire 984 NŒUDS TET NŒUDS LIA NŒUDS TET NOEUDS Club Cast3M 216 Transparent 23

24 Effort (KN) Simulations dans le domaine non linéaire Courbe Force déplacement imposé Fmax= 167 kn ,2,4,6,8,1,12,14 Déplacement (mm) Maillage déformé Club Cast3M 216 Transparent 24

25 Simulations dans le domaine non linéaire Cartographie de l endommagement F= 61 kn (37% Fmax) F= 167 kn (1% Fmax) Club Cast3M 216 Transparent 25

26 Club Cast3M 216 Transparent 26

27 z (mm) Distribution des contraintes dans le béton proche de l interface à Fmax Zone de post traitement z y x Contrainte normale Contrainte de cisaillement sxz Contrainte normale axiale szz(mpa) perpendiculaire sxx (MPa) (MPa) Club Cast3M 216 Transparent 27

28 z(mm) Résistance en traction du béton z (mm) Distribution, au cours du chargement des contraintes dans le béton proche de l interface Zone de post traitement z y x ,5 2,5 5 7,5 1 contrainte normale perpendiculaire sxx (MPa) 33%Fmax 37%Fmax 5%Fmax 71%Fmax 85%Fmax 1%Fmax contrainte de cisaillement sxz (MPa) 33%Fmax 37%Fmax 5%Fmax 71%Fmax 85%Fmax 1%Fmax Club Cast3M 216 Transparent 28

29 z (mm) Résistance en traction de l adhésif Distribution des contraintes à l interface collé pour Fmax Zone de post traitement z y x contrainte de cisaillement sxz (MPa) contrainte axiale perpendiculaire sxx (MPa) contrainte axiale normale szz (MPa) La contrainte de cisaillement à rupture supérieure à la résistance en traction du béton Le joint d adhésif n est pas un point de faiblesse. Club Cast3M 216 Transparent 29

30 Conclusions & Perspectives Mise en œuvre d un modèle numérique efficace dans Cast3M pour étudier le comportement non-linéaire des assemblages collés; le modèle permet de prédire le mode et la charge de ruine; Quelques données expérimentales utiles pour aller de l avant Caractérisation expérimentale des matériaux constituants de l assemblage Confrontation avec les résultats expérimentaux Modélisation des comportements diffères des structures collées; Développement des règles de dimensionnement de structures en se basant sur les résultats expérimentaux et numérique; Club Cast3M 216 Transparent 3

31 Références [1] L. Jason, «Relation endommagement permeabilité pour les bétons applications aux calculs de structures,» Thèse, École Centrale de Nantes et l'université de Nantes, Nantes, France, 24. [2] G. Pijaudier-Cabot et Z. P. Bazant, «Nonlocal damage theory,» Journal of engineering mechanics, vol. 113, n 11, pp , [3] M. Chambart, «Endommagement anisotrope et comportement dynamique des structures en béton armé jusqu à la ruine,» École normale supérieure de Cachan, Cachan, 29. [4] R. S. Crouch et B. Tahar, «Application of a stress return algorithm for elasto-plastic hardening-softening models with high yield surface curvature,» chez In Proceedings of European Congress on Computational Methods in Applied Sciences andengineering,eccomas, Barcelona, 2. [5] Krayani, «Approche non locale d'un modèle d'élasto-plastique endommagable pour le calcul des structures en béton,» Thèse, École Centrale de Nantes et l'université de Nantes, Nantes, France, 27. [6] C. Meaud, «Analyse multi-échelle des connexions par collage application aux éléments structuraux multi-matériaux fléchis,» Thèse, Université Claude Bernard Lyon1, Lyon, France, 212. [6] J. P. M. Goncalves, M. F. S. F. De Moura et P. M. S. T. De Castro, «A three-dimensional finite element model for stress analysis of adhesive joints,» International Journal of Adhesion and Adhesives, vol. 22, n 15, pp , 22. [7] D. Castagnetti et E. Dragoni, «Standard finite element techniques for efficient stress analysis of adhesive joints,» International Journal of Adhesion and Adhesives, vol. 29, n 12, pp , 29. Club Cast3M 216 Transparent 31

32 Merci de votre attention Club Cast3M 25 nov. 216