Fracture in quasi-brittle materials : experimental and numerical approach for the determination of an incremental model with generalized variables

Fissuration dans les matériaux quasi-fragiles : approche numérique et expérimentale pour la détermination d'un modèle incrémental à variables condensées

Erwan Morice (1)

1 LMT - Laboratoire de Mécanique et Technologie

Fracture in quasi-brittle materials, such as ceramics or concrete, can be represented schematically by series of events of nucleation and coalescence of micro-cracks. Modeling this process is an important challenge for the reliability and life prediction of concrete structures, in particular the prediction of the permeability of damaged structures. A multi-scale approach is proposed. The global behavior is modeled within the fracture mechanics framework and the local behavior is modeled by the discrete element method. An approach was developed to condense the non linear behavior of the mortar. A model reduction technic is used to extract the relevant information from the discrete elements method. To do so, the velocity field is partitioned into mode I, II, linear and non-linear components, each component being characterized by an intensity factor and a fixed spatial distribution. The response of the material is hence condensed in the evolution of the intensity factors, used as non-local variables. A model was also proposed to predict the behavior of the crack for proportional and non-proportional mixed mode I+II loadings. An experimental campaign was finally conducted to characterize the fatigue and fracture behavior of mortar. The results show that fatigue crack growth can be of significant  importance. The experimental velocity field determined, in the crack tip region, by DIC, were analyzed using the same technic as that used for analyzing the fields obtained by the discrete element method showing consistent results.

La rupture des matériaux quasi-fragiles, tels que les céramiques ou les bétons, peut être représentée schématiquement par la succession des étapes de nucléation et de coalescence de micro-fissures. Modéliser ce processus de rupture est un enjeu particulièrement important lorsque l'on s'intéresse à la résistance des structures en béton, en particulier à la prédiction de la perméabilité des structures endommagées. La démarche choisie est une vision multi-échelle où le comportement global est caractérisé par la mécanique de la rupture, et le comportement local représenté par la méthode des éléments discrets. Le modèle représente la fissuration par des grandeurs généralisées, qui seront définies dans le cadre de la mécanique de la rupture. Afin de prendre en compte l’aspect non linéaire de la fissuration dans les matériaux quasi-fragiles, la cinématique usuelle de la mécanique de la rupture est enrichie par l’ajout de degrés de libertés supplémentaires chargés de représenter la part non linéaire du champ de vitesse. L'évolution du comportement est alors condensé par l'évolution de facteurs d'intensité. Le modèle proposé permet de prédire le comportement lors de chargements de mode mixte I+II proportionnel et non-proportionnel. Enfin, une campagne d'essais visant à caractériser le comportement en fissuration du mortier à été réalisée. Les résultats obtenus montrent un rôle important de la fissuration par fatigue. La méthode de changement d'échelle a également été appliquée sur les champs de vitesse en pointe de fissure, confirmant la représentation du comportement en pointe de fissure par une cinématique enrichie.

Mots clés: Mixed-mode; Nonlinear

Mots clés: Fatigue; Fissuration; Quasi-fragile

Domaines: Matériaux et structures en mécanique [physics.class-ph]

Erwan Morice. Fissuration dans les matériaux quasi-fragiles : approche numérique et expérimentale pour la détermination d'un modèle incrémental à variables condensées. Matériaux et structures en mécanique [physics.class-ph]. École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2014. Français. ⟨NNT : 2014DENS0011⟩. ⟨tel-01048626⟩