Matériaux quasi-fragiles

Ce thème résulte d’une collaboration avec Yann Malécot (Co-encadrement de la thèse d’Ewa Piotrowska) d’une part, et avec Frédéric Dufour (Co-encadrement de la thèse de Phuoc Bui Huu) d’autre part. Il s’agissait, dans cette thématique nouvelle pour moi, de deux thèses ayant des verrous scientifiques très différents.

Le contexte général du projet de recherche de la première thèse était la vulnérabilité des infrastructures complexes en béton (barrages, réacteurs nucléaires, etc.) sous chargements extrêmes, tels que les impacts balistiques. Dans ces situations, le béton subit de très fortes contraintes triaxiales, en particulier la pénétration du projectile dans une structure en béton engendre une compression triaxiale dynamique. La possibilité de prédire numériquement la réponse d’un béton sous ces conditions extrêmes avec un modèle numérique est essentielle puisque les tests dynamiques à grande échelle et les tests de laboratoire sont très coûteux et chronophages. Nous avons choisi une approche de LEM dynamique pour réaliser des simulations 2D de béton à une échelle mésoscopique en distinguant les phases granulat, matrice, vides ainsi que leurs interfaces. Ces essais numériques ont permis d’étudier l’influence des pressions de confinement extrêmement fortes (jusqu’à 650 MPa) et de la méso-structure (forme/taille des granulats, fractions de vides, etc.)

La seconde thèse, s’intéresse également aux matériaux quasi-fragiles (pour ne pas dire les bétons) mais se focalise plus sur le lien qui peut exister entre une longueur interne et l’hétérogénéités du matériau. Cette longueur interne est introduite dans les modèles non locaux pour remédier au problème lié à la sensibilité du maillage qui est une pathologie des modèles d’endommagement classiques, lorsqu’il s’agit de matériaux adoucissants. L’outil numérique utilisé pour ces investigations est la LEM dans sa version quasi-statique. Celle-ci permet l’étude des ouvertures de fissure lien par lien avec pour conséquence la possibilité d’obtenir une réponse de type snap-back. En plus de fournir quelques recommandations sur l’extraction d’une longueur interne (nécessaire pour les modèles non locaux) à partir de la méso-structure du matériau, les études donnent un aperçu de l’origine mésoscopique de la taille de la Fracture Process Zone (FPZ) et la longueur caractéristique du matériau, et par conséquent sur l’origine et la nature du comportement non linéaire du matériau. Un algorithme de couplage multi-échelles « bord à bord » entre une approche macroscopique FEM et l’approche mésoscopique LEM, a été proposé. Il s’agit d’un outil prometteur pour la simulation de grandes structures constituées de matériaux quasi-fragiles.