Suivi de l’endommagement du matériau bois sous sollicitation de traction parallèle au fil

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Introduction générale

Dans un contexte de développement durable, l’utilisation du bois est de plus en plus répandue dans le domaine de la construction. En effet, le bois est une ressource renouvelable à faible consommation d’énergie qui permet de piéger le CO2 pendant la durée de vie des structures. Afin de diminuer l’effet de serre engendré principalement par le dioxyde de carbone, la France s’est dotée d’une politique de développement durable via l’application de plusieurs protocoles. Parmi ces derniers, la loi sur l’air promulguée le 31 décembre 1996 qui contient un paragraphe concernant l’utilisation du matériau bois dans les constructions nouvelles : « Pour répondre à l’objectif de la précédente loi, un décret en conseil d’état fixe les conditions dans lesquelles certaines constructions nouvelles devront comporter une quantité minimale de matériaux en bois » (loi numéro 961236, titre VII, article 21-5). Dans le même contexte, le protocole de Kyoto de 1997, via l’application d’une charte, vise à augmenter les proportions de bois dans le domaine de la construction (Ghossein 2004). Bien que l’utilisation du bois demeure une solution écologique, l’intégration de ce matériau dans les structures demeure limitée en raison de son comportement complexe (forte anisotropie, hétérogénéité, sensibilité à la variation de l’humidité et à la température, propriétés mécaniques limitées…). Afin de dépasser ces limitations, des structures hybrides ont été développées ces dernières décennies. Parmi ces structures hybrides, on retrouve les ponts mixtes bois-béton (pont du vallon de Riou de Lantosque, pont de Cognin, pont de Lure). De plus, le projet de recherche européen NR2C (New Road Construction Concept) dévolu aux ponts du futur et piloté par le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) a permis de
démontrer l’intérêt mécanique de nouveaux tabliers bois/béton/composites (Ben Mekki et al. 2007). Ces structures multi-matériaux à base de bois sont à la fois originales et mécaniquement prometteuses. Chaque matériau a un rôle important dans la performance de la structure. Le remplacement des matériaux classiques (acier, béton) par ces structures hybrides est motivé par l’allégement de la structure à propriétés mécaniques égales. En revanche, l’utilisation des structures multi-matériaux à base de bois est encore récente. Cela se traduit par une certaine méconnaissance de leur comportement et notamment vis-à-vis de la présence d’endommagement pouvant conduire à une dégradation de leurs propriétés mécaniques et éventuellement à leur rupture (Nguyen 2010).
Par mesure de sécurité, il est intéressant de détecter ces endommagements dès leurs initiations afin de mettre en place un système de maintenance adéquat. Dans cette optique, il est nécessaire d’utiliser une technique de contrôle non-destructif permettant de déterminer l’état de santé de la structure et de prédire l’évolution de l’endommagement. Dans ce contexte, l’émission acoustique (EA) semble une technique intéressante puisqu’elle permet de suivre en continu la réponse de la structure à des contraintes mécaniques ou environnementales appliquées. En outre, l’EA permet aussi la détection précoce des défauts évolutifs, la localisation des sources acoustiques ainsi que la caractérisation et l’identification de différents mécanismes d’endommagement. Pour réussir l’identification et la caractérisation des mécanismes d’endommagement de ces structures multi-matériaux à base de bois, le suivi de chaque matériau isolé est primordial. Plusieurs travaux ont été consacrés à l’identification par EA des mécanismes d’endommagement des matériaux composites (Benzeggagh et al.
les matériaux composites et le béton. Dans la littérature, il existe quelques travaux ayant étudié l’endommagement du matériau bois par la méthode d’EA (Ansell 1982 ; Vautrin et Harris 1987 ; Reiterer et al. 2000 ; Chen et al. 2006 ; Varner et al. 2012 ; Baensch 2015 ; 2016). Les investigations sont très intéressantes mais loin d’être suffisantes pour fournir des conclusions convaincantes. En outre, l’analyse des signatures acoustiques littérature. Donc, avant de s’attaquer à la problématique des structures multi-matériaux collées, il est primordial d’analyser le potentiel de la méthode d’émission acoustique appliquée au matériau bois et d’identifier les paramètres influençant l’activité acoustique sous chargement. Dans ce cadre, ce travail de recherche est consacré au suivi par EA de l’endommagement du matériau bois. Si l’objectif affiché est l’utilisation de l’émission acoustique pour la surveillance des structures, un passage par des manipulations en laboratoire est nécessaire afin de valider les protocoles de mise en place. Une démarche consistant à travailler sur trois essences de bois soumises à trois types de sollicitations a été mise en place. Cette démarche a pour objectifs :
1- Comprendre quel est l’impact de l’essence sur la réponse acoustique
2- Comprendre comment le mode de sollicitation peut également influencer cette réponse.
Ce travail de thèse va donc permettre :
– de suivre l’évolution de l’endommagement à différents stades de chargement à travers
une analyse conventionnelle de l’activité acoustique.
– d’identifier la signature acoustique de différents mécanismes d’endommagement pou les trois essences sous différentes sollicitations à travers une analyse statistique multivariables en utilisant des outils mathématiques de reconnaissance de forme (algorithme des k-moyennes).
– d’établir les scénarios d’endommagement de chaque essence sous différents types de sollicitations.
– de comparer les réponses acoustiques de chaque essence sous différentes sollicitations. A moyen terme, l’identification et la caractérisation expérimentale des mécanismes d’endommagement de ces différentes essences soumises à différentes sollicitations permettra les modèles d’endommagement et de déterminer les différents critères de rupture.
La rédaction de ce mémoire s’organise donc autour de cinq chapitres. Le premier chapitre est dédié à la revue de la bibliographie. Nous présentons dans une première partie de ce chapitre le matériau bois et son utilisation dans la construction des ouvrages d’art ainsi que les différentes pathologies développées par ces structures en bois.
Ensuite, nous présentons l’état de l’art du renforcement du matériau bois par d’autres types de matériaux pour obtenir ce que l’on appelle des structures multi-matériaux. Dans une deuxième partie, nous présentons les méthodes de contrôle non-destructif ainsi que les méthodes de suivi utilisées pour le suivi et l’évaluation des ouvrages d’art. Ensuite, nous étudions la technique de l’émission acoustique et son application sur les matériaux composites et le matériau bois.
Dans le deuxième chapitre, nous présentons dans un premier temps les trois essences étudiées ainsi que les conditions des trois essais mécaniques réalisés dans cette étude. Dans un
second temps, nous présentons le protocole expérimental mis en place pour le suivi en continu de l’endommagement des trois essences de bois sous trois sollicitations quasi-statiques (traction, compression et flexion). Dans cette partie, des études préliminaires sur le choix des capteurs appropriés pour le matériau bois ainsi que sur le bon positionnement de ces capteurs sur les différents types d’éprouvettes sont réalisées. Enfin, les deux méthodes de contrôle non11 destructif utilisées de façon complémentaire (thermographie infrarouge et tomographie aux rayons X) sont présentées.
Le troisième, le quatrième et le cinquième chapitre consistent à suivre et caractériser par EA l’endommagement de trois essences de bois sous trois sollicitations quasi-statiques traction parallèle au fil, compression parallèle au fil et flexion quatre-points respectivement. Ces trois derniers chapitres suivent une démarche commune. En effet, pour chaque type de sollicitation, cette démarche consiste à observer le comportement mécanique global des éprouvettes de chaque essence testée, à examiner les différents faciès de rupture, à analyser l’évolution de l’activité acoustique en fonction du temps, à classer les signaux recueillis lors de l’endommagement en utilisant une méthode de reconnaissance de formes basée sur l’algorithme des k-moyennes, à proposer une corrélation entre les signatures acoustiques et les mécanismes d’endommagement et finalement de conclure sur le scénario d’endommagement représentatif pour chaque essence testée. Chaque chapitre se termine par une comparaison entre les réponses acoustiques de chaque essence. Pour le chapitre de flexion, l’influence de la sollicitation sur la réponse acoustique est évoquée.

Table des matières

Remerciements
Introduction générale
Chapitre 1 : Bibliographie
I. Structure multi-matériaux à base de bois
I.1- Introduction
I.2- Le matériau bois
I.2.1-Structure multi-échelles
I.2.2- Propriétés mécaniques
I.2.3- Conclusion
I.3- Utilisation du bois en construction
I.3.1- Le bois en tant que matériau de construction
I.3.2- Ouvrages d’art en bois
I.3.3- Pathologies des structures en bois
I.3.4- Conclusion
I.4- Structures multi-matériaux à base de bois
I.4.1- Renforcement du bois par des matériaux composites
I.4.2- Conclusion
II- Suivi de l’endommagement des structures multi-matériaux à base de bois
II.1- Introduction
II.2- Méthodes disponibles pour le suivi et l’évaluation des ouvrages d’art
II.3- Suivi de l’endommagement des structures multi-matériaux à base de bois par EA
II.3.1- Présentation de la méthode EA
II.3.2- Suivi de l’endommagement du bois par EA
II.3.3- Suivi de l’endommagement des matériaux composites par EA
III- Conclusion
Chapitre 2 : Matériels et méthodes
I- Introduction
II- Les essences choisies et leurs caractéristiques
II.1- Introduction
II.2- Le Douglas
II.3- Le sapin pectiné
II.4- Le peuplier
II.5- Conclusion
III. Essais mécaniques
III.1- Introduction
III.2- Essais de traction parallèle au fil
III.2.1- Eprouvettes
III.2.2- Conditions d’essais et paramètres mesurés
III.3- Essais de compression parallèle au fil
III.3.1- Eprouvettes
III.3.2- Conditions d’essais et paramètres mesurés
III.4- Essais de flexion 4 points
III.4.1- Eprouvettes
III.4.2- Conditions d’essais et paramètres mesurés
III.4- Conclusion
IV- Instrumentation des essais par les méthodes CND
IV.1- Introduction
IV.2- Emission acoustique
IV.2.1- Choix du matériel d’EA
IV.2.2- Positionnement des capteurs
IV.2.3- Réglage des paramètres d’acquisition
IV.2.4- Validation de la mise en place du système d’EA et mesure de la vitesse de
propagation
IV.3- Thermographie infrarouge
IV.3.1- Dispositif d’acquisition
IV.3.2- Réglage des paramètres d’acquisition
IV.4- Micro-tomographie aux rayons X
IV.4.1- Principe physique
IV.4.2- Matériel de mesure
IV-5. Instrumentation des essais : conclusion
V- Conclusion
Chapitre 3 : Suivi de l’endommagement du matériau bois sous sollicitation de traction parallèle au fil
I- Introduction
II- Endommagement du Douglas sous sollicitation de traction parallèle au fil
II.1- Introduction
II.2- Comportement traction et propriétés mécaniques associées
II.3- Observation des faciès de rupture
II.4- Analyse de l’activité acoustique
II.5- Corrélation entre l’activité acoustique et la réponse mécanique
II.6- Classement des données acoustiques
II.7- Essais Complémentaires
II.7.1- Essais arrêtés
II.7.2- Suivi par EA et par TI d’un essai entier de traction
II.9- Conclusion
III- Endommagement du sapin pectiné sous sollicitation de traction parallèle au fil
III.1- Introduction
III.2- Comportement en traction et propriétés mécaniques associées
III.3- Observation des faciès de rupture
III.4- Analyse de l’activité acoustique
III.5- Corrélation entre l’activité acoustique et la réponse mécanique
III.6- Classement des données acoustiques
III.7- Essais complémentaires
III.7.1- Essais arrêtés
III.7.2- Suivi par EA et par TI d’un essai entier de traction
III.9- Conclusion
IV- Endommagement du peuplier sous sollicitation de traction parallèle au fil
IV.1- Introduction
IV.2- Comportement en traction et propriétés mécaniques associées
IV-3- Observation des faciès de rupture
IV.4- Analyse de l’activité acoustique
IV.5- Corrélation entre l’activité acoustique et la réponse mécanique
IV.6- Classement des données acoustiques
IV.7- Essais complémentaires
IV.8- Conclusion
V- Comparaison entre les trois essences
VI- Conclusion
Chapitre 4 : Suivi de l’endommagement du matériau bois sous sollicitation de compression
parallèle au fil
I- Introduction
II- Endommagement du Douglas sous sollicitation de compression longitudinale
II.1- Introduction
II.2- Comportement en compression et propriétés mécaniques associées
II.3- Observation des faciès de rupture
II.4- Mécanismes de rupture des éprouvettes de Douglas sollicitées en compression parallèle au fil
II.5- Analyse de l’activité acoustique
II.6- Classement des données acoustiques
II.7- Comparaison des résultats avec les autres éprouvettes
II.8- Conclusion
III- Endommagement du sapin pectiné sous sollicitation de compression parallèle au fil
III.1- Introduction
III.2- Comportement en compression et propriétés mécaniques associées
III.3-Observation des faciès de rupture
III.4- Mécanismes de rupture des éprouvettes de sapin pectiné sollicitées en compression parallèle au fil
III.5- Analyse de l’activité acoustique
III.6- Corrélation entre l’activité acoustique et la réponse mécanique
III.7- Classement des données acoustiques
III.8- Comparaison des résultats avec les autres éprouvettes
III.9- Conclusion
IV- Endommagement du peuplier sous sollicitation sous sollicitation de compression parallèle au fil
IV.1- Introduction
IV.2- Comportement en compression et propriétés mécaniques associées
IV.3- Observation des faciès de rupture
IV.4- Mécanismes d’endommagement des éprouvettes de peuplier sollicitées en compression parallèle au fil
IV.5- Analyse de l’activité acoustique
IV.7- Classement des données acoustiques
IV.8- Comparaison des résultats avec les autres éprouvettes
IV.9- Conclusion
V- Comparaison entre les trois essences
VI- Conclusion
Chapitre 5 : Suivi de l’endommagement du matériau bois sous sollicitation de flexion
I- Introduction
II- Endommagement du Douglas sous sollicitation de flexion
II.1- Introduction
II.2- Comportement en flexion et propriétés mécaniques associées
II.3- Observation des faciès de rupture
II.4- Analyse de l’activité acoustique
II.5- Corrélation entre l’activité acoustique et la réponse mécanique
II.6- Classement des données acoustiques
II.7- Conclusion
III- Endommagement du sapin pectiné sous sollicitation de flexion
III.1- Introduction
III.2- Comportement en flexion et propriétés mécaniques associées
III.3- Observation des faciès de rupture
III.4- Analyse de l’activité acoustique
III.5- Corrélation entre l’activité acoustique et la réponse mécanique
III.6- Classement des données acoustiques
III.7- Conclusion
IV- Endommagement du peuplier sous sollicitation de flexion
IV.1- Introduction
IV.2- Comportement en flexion et propriétés mécaniques associées
IV.3- Observations des faciès de rupture
IV.4- Analyse de l’activité acoustique
IV.5- Corrélation entre l’activité acoustique et la réponse mécanique
IV.6- Classement des données acoustiques
IV.7- Conclusion
V- Comparaison de la réponse acoustique recueillie durant les essais en flexion 4-points les trois essences
VI- Comparaison de la réponse acoustique recueillie en flexion, traction et compression
VII- Conclusion
Conclusion générale
Perspectives
Références
Annexe 1
Annexe 2
Annexe 3
Annexe 4
Résumé