Sujet de Doctorat
Comportement mécanique en torsion des structures multi-matériaux et instabilité de déversement. Application aux structures mixtes acier – bois et composite – bois
Résumé
La construction, en particulier l’industrie du bâtiment dont l’impact économique et environnemental est important, reste généralement organisée par matériau de construction (acier, bois, béton). Toutefois, de nombreux exemples comme les structures mixtes acier-béton, ont démontré l’intérêt d’associer différents matériaux pour exploiter au mieux leurs propriétés respectives. Les solutions bois-acier ont fait l’objet de quelques études mais leur emploi reste très limité en raison d’une méconnaissance du comportement de ces structures alors que leur potentiel est important.
Des travaux antérieurs combinant des poutres métalliques et des planchers bois en CLT (Cross Laminated Timber) ont démontré leurs avantages en termes de performances, d’encombrement, de facilité de mise en œuvre et de faible impact environnemental. De plus, les premiers résultats ont montré que l’intégration de l’acier permet de réduire l’effet du fluage, les risques de ruptures fragiles et ont mis en évidence les effets stabilisateurs du bois sur l’acier permettant à ce dernier d’atteindre ses capacités maximales sans voilement local ni déversement. Plus récemment, des essais de flexion sur des éléments combinant le bois et des matériaux composites ont confirmé l’intérêt de ces structures multi-matériaux et le rôle important du bois pour limiter les phénomènes d’instabilité.
Les questions et verrous scientifiques restent toutefois nombreux et variés. Sur le plan mécanique, l’efficacité de l’association bois-acier ou bois-composite repose sur celle de la connexion dont la caractérisation est à établir pour différentes techniques (boulonnage, collage…), différentes géométries ou sollicitations. Par ailleurs, si le rôle stabilisateur du bois a été démontré, son identification précise et sa modélisation font encore défaut : le déversement d’une poutre hybride acier-bois est à ce jour encore mal prédit. Enfin, le comportement au cours du temps de ces structures hybrides n’a pas fait l’objet d’études approfondies sur le plan expérimental ou sur celui des simulations numériques.
Le sujet principal de la thèse portera sur l’étude du comportement mécanique instantané des structures bois-acier et bois-composite sous sollicitations multiaxiales (flexion, cisaillement, torsion). L’analyse et la résolution du problème posé se feront à deux échelles : au niveau des interfaces et à l’échelle d’un élément de structure. La connexion entre les différentes parties se fera par boulonnage et / ou collage. Les travaux effectués s’appuieront sur les études antérieures, notamment celles effectuées au LMC2. Une attention toute particulière sera portée sur l’instabilité de déversement et le comportement en torsion qui lui est associé.
Deux axes seront menés en parallèle. Sur le plan expérimental, des essais de cisaillement permettront de caractériser et choisir les techniques de connexion les plus efficaces. Elles seront mises en œuvre sur des éléments de structures soumis à de la flexion et à de la torsion. Le comportement sera d’abord étudié sur chacun des composants puis les structures hybrides seront sollicitées jusqu’à la ruine.
Parallèlement aux essais, la modélisation des éléments fléchis sera effectuée selon différentes approches (variables locales / variables globales, poutres multi matériaux / MEF) en tenant compte des non linéarités géométriques et matérielles. Les modèles établis seront validés à partir des résultats expérimentaux et permettront de simuler de façon précise la réponse de ces structures hybrides dans toutes les phases de leur comportement, notamment les mécanismes de ruine et d’endommagement. Ils permettront également de connaître les états de contraintes à ne pas dépasser pour garantir la durabilité de ces structures. Des outils de modélisation de type ingénieurs seront finalement proposés dans le cadre des Eurocodes.
Encadrants
- Bruno JURKIEWIEZ
- Cécile GRAZIDE
Début et fin de thèse
1/10/2020 – 1/10/2023