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Tesi di dottorato in ingegneria >

Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2108/317

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contributor.advisorMaceri, F.-
contributor.advisorFremond, M.-
contributor.advisorComo, M.-
contributor.advisorRemond, Y.-
contributor.advisorCreton, C.-
contributor.advisorEhrlacher, A.-
contributor.advisorBerzarti, K.-
contributor.advisorRaous, M.-
contributor.authorBruneaux, Marie-Anne-
coverage.temporal31 marzo 2004en
date.accessioned2007-03-22T12:08:06Z-
date.available2007-03-22T12:08:06Z-
date.issued2007-03-22T12:08:06Z-
identifier.urihttp://hdl.handle.net/2108/317-
descriptionIn collaborazione con: Ecole Nationale des Ponts et Chausséesen
description.abstractLa tecnica dell’incollaggio è già stata ampiamente utilizzata nell’ingegneria civile nell’ambito della riparazione delle costruzioni. La via appare quindi aperta allo sviluppo delle nuove applicazioni all’incollaggio strutturale (collegamenti in ponti misti acciao-calcestruzzo, assemblaggio di strutture in calcestruzzo fibrato, etc…). Esiste dunque una domanda crescente da parte dei costruttori di poter disporre di strumenti modellistici che permettano di prevedere la durabilità di tali assemblaggi incollati. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quindi l’introduzione e lo studio di un modello meccanico predittivo in grado di tenere conto delle proprietà fisico-chimiche dell’adesivo e della loro evoluzione nel tempo. La prima parte della tesi raccoglie dati bibliografici riguardanti i meccanismi di invecchiamento degli adesivi epoxy utilizzati nell’ingegneria civile ed i modelli fenomenologici che descrivono tali fenomeni in termini di cinetica. Da tale studio deriva che i modelli meccanici di zone di coesione sono particolarmente adatti per simulare il complesso processo della fessurazione delle interfacce all’interno dell’assemblaggio incollato. Taluni di questi modelli fanno intervenire anche parametri non di natura meccanica nelle equazioni di evoluzione del danneggiamento superficiale e permettono di tener conto in modo elegante delle leggi di evoluzione fisico-chimiche delle sostanze adesive. La seconda parte è dedicata allo studio sperimentale dei fenomeni di invecchiamento degli adesivi per unità di massa e dei legami adesivi negli assemblaggi incollati. Gli effetti di invecchiamento fisico e di invecchiamento in un ambiente umido sono stati analizzati evidenziando delle differenze di comportamento tra i due, che possono essere attribuite a effetti di interfaccia e di ripartizione degli sforzi specifici nei polimeri utilizzati nelle giunzioni adesive. I modelli fenomenologici che si trovano in letteratura hanno in seguito permesso di ottenere leggi di comportamento che permettano di predire l’evoluzione del proprietà di tali adesivi nel corso del tempo. L’ultima parte del lavoro ha permesso di sviluppare un modello meccanico basato sulla teoria del primo gradiente del danneggiamento , che permette di descrivere lo stato dell’ interfaccia negli assemblaggi attraverso una variabile di danneggiamento. L’originalità di tale modello risiede nel fatto che le equazioni di evoluzione dell’interfaccia fanno intervenire coefficienti caratteristici del comportamento fisico-chimico della colla. In un primo tempo il modello è stato confrontato con i risultati esperimentali in un caso semplificato di trazione omogenea. Gli esperimenti hanno messo in evidenza fenomeni di indurimento delle giunzioni all’inizio della prova e poi di scorrimento nei tempi lunghi, non previsti nel modello iniziale. Le equazioni di evoluzione sono state dunque modificate per tenere conto della natura viscoelastica dei polimeri, cosa che ha permesso di validare il modello nelle condizioni di carico e scarico degli assemblaggi. Siamo stati in grado anche di identificare quattro dei cinque coefficienti del modello relativi al comportamento della colla. In un secondo tempo è stata proposta una configurazione sperimentale non omogenea atta ad identificare il rimanente parametro di danneggiamento. Studi ulteriori potrebbero basarsi su tale modello ottimizzato per studiare le leggi di evoluzione dei coefficienti teorici in funzione dei fenomeni di invecchiamento messi in evidenza delle giunzioni adesive.en
description.abstractLa technique de collage est déjà largement utilisée en Génie Civil dans le cadre de la réparation d’ouvrages, et la voie semble ouverte pour le développement de nouvelles applications en collage structural (connexions de ponts mixte acier/béton, assemblages de structures en béton fibré, etc…). Il existe donc une demande croissante de la part des maîtres d’oeuvre pour disposer d’un outil de modélisation permettant de prévoir la durabilité de ce type d’assemblages collés. L’objectif de ce travail de thèse est justement de développer un modèle mécanique prédictif capable d’intégrer les propriétés physico-chimiques de l’adhésif et leurs évolutions dans le temps. La première partie de ce mémoire rassemble les données bibliographiques concernant les mécanismes de vieillissement des adhésifs époxydes utilisés en génie civil ainsi que les modèles phénoménologiques qui décrivent ces phénomènes en terme de cinétique. Il est également ressorti de cette étude, que les modèles mécaniques de zone cohésive sont particulièrement adaptés pour simuler le processus complexe de fissuration des interfaces dans les assemblages collés. Certains de ces modèles font intervenir des paramètres autres que mécaniques dans les équations d’évolution de l’endommagement surfacique et permettent prendre en compte de manière élégante les lois d’évolutions physico-chimiques des adhésifs. La seconde partie est consacrée à l’étude expérimentale des phénomènes de vieillissement des adhésifs massiques et des joints adhésifs dans les assemblages collés. Les effets du vieillissement physique et du vieillissement en milieu humide ont été analysés, mettant en évidence des différences de comportement entre les adhésifs massiques et les joints de colle, qui peuvent être attribuées à des effets d’interface et à des répartitions de contraintes spécifiques dans le polymère confiné au sein des joints. Les modèles phénoménologiques issus de la littérature ont ensuite permis de dégager des lois de comportement visant à prédire l’évolution des propriétés de ces adhésifs au cours du temps. La dernière partie du travail a permis de développer un outil de modélisation mécanique basé sur la théorie du premier gradient de l’endommagement, qui permet de décrire l’état de l’interface dans les assemblages collés à travers une variable d’endommagement. L’originalité de ce modèle réside dans le fait que les équations d’évolution de l’interface font intervenir des coefficients caractéristiques du comportement physico-chimique de l’adhésif. Dans un premier temps, le modèle a été confronté à l’expérience dans une configuration simplifiée de traction homogène. Les expérimentations ont mis en évidence des phénomènes de raidissement du joint en début d’essai puis de fluage aux temps longs, qui n’étaient pas prévus par le modèle initial. Les équations d’évolution ont donc été modifiées pour tenir compte de la nature viscoélastique du polymère, ce qui a permis de valider le modèle dans les conditions de chargement et de déchargement des assemblages collés. Nous avons ainsi pu identifier quatre des cinq coefficients du modèle relatifs au comportement de l’adhésif. Dans un second temps, une configuration expérimentale non homogène a été proposée afin de valider le modèle pour un problème avec gradient d’endommagement, et identifier le dernier coefficient théorique. Des études ultérieures pourront se baser sur ce modèle optimisé pour dégager les lois d’évolution des coefficients théoriques en fonction des phénomènes de vieillissement mis en évidence sur les joints adhésifs.en
description.tableofcontentsRemerciements 3 - Sommaire 5 - Introduction et objectifs 13 - Chapitre 1. Etude bibliographique: aspects phenomenologiques, physico- chimiques et mecaniques des modelisations visant a prevoir le comportement des assemblages colles - 1.a. Les mecanismes du collage - theories de l'adhesion 19 - 1.a.1. Modele de la liaison chimique 19 - 1.a.2. Modele mecanique 19 - 1.a.3. Modele electrostatique 21 - 1.a.4. Modele de la diffusion/interdiffusion 21 - 1.a.5. Modele thermodynamique - notion de mouillage 21 - 1.a.6. Modele des couches de faible cohesion 23 - 1.a.7. Modele du facteur dissipatif 24 - 1.b. Les adhesifs structuraux 27 - 1.b.1. Generalites sur les adhesifs structuraux 27 - 1.b.1.1. Les principales familles d'adhesifs utilisees en genie civil 27 - 1.b.1.2. Specificite des systemes epoxydes du genie civil 31 - 1.b.1.3. Mise en oeuvre 34 - 1.b.1.4. Principales caracteristiques physico-chimiques des adhesifs - 1.b.2. Facteurs de vieillissement des adhesifs structuraux - 1.b.2.1. Sensibilite aux facteurs environnementaux 44 - 1.b.2.1.1. Le phenomene de vieillissement physique 44 - 1.b.2.1.2. Vieillissement en milieu humide 51 - 1.b.2.1.3. Autres facteurs environnementaux 59 - 1.b.2.2. Sensibilite aux sollicitations 61 - 1.c. Presentation des differents modeles mecaniques utilises pour prevoir la rupture des assemblages colles 65 - 1.c.1. La mecanique lineaire de la rupture 65 - 1.c.1.1. La fissuration des materiaux homogenes 65 - 1.c.1.2. La mecanique de la rupture interfaciale 69 - 1.c.1.3. Limitations de la mecanique lineaire de la rupture 70 - 1.c.2. les modeles de zone cohesive 72 - 1.c.2.1. Le principe de la zone cohesive 72 - 1.c.2.2. Les differents modeles de zone cohesive 73 - 1.d. Le modele d’adhesion : modele du premier gradient de l’endommagement 79 - 1.d.1. Presentation du modele 79 - 1.d.2. Principe des puissances virtuelles et equations du mouvement 81 - 1.d.2.1. Calcul des puissances virtuelles 81 - 1.d.2.2. Equations d’equilibre 83 - 1.d.3. Lois de comportement de l’assemblage colle 84 - 1.d.3.1. Premier principe de la thermodynamique 84 - 1.d.3.2. Second principe de la thermodynamique 86 - 1.d.3.3. Choix de l’energie libre 89 - 1.d.3.4. Dissipation et lois de comportement 90 - 1.d.4. Equations de l’evolution de l’etat du joint colle 92 - Chapitre 2. Caracterisation experimentale et mecanismes de vieillissement des adhesifs epoxydes destines au genie civil - 2.a. Caracterisation physico-chimique des adhesifs 99 - 2.a.1. Description des adhesifs selectionnes 99 - 2.a.2. Techniques de caracterisation des adhesifs 100 - 2.a.2.1. Methodes d’analyse chimique 100 - 2.a.2.2. Analyse thermique par calorimetrie differentielle a balayage (dsc)103 - 2.a.2.3. Caracterisation viscoelastique par spectrometrie dynamique 104 - 2.a.2.4. Caracterisation mecanique par essais de traction 105 - 2.a.3. Resultats experimentaux 106 - 2.a.3.1. Caracterisation chimique des constituants 106 - 2.a.3.2. Transition vitreuse et caracteristiques viscoelastiques au voisinage de tg 109 - 2.b. Evolution des proprietes des adhesifs massiques dans le temps - phenomenes de vieillissement 119 - 2.b.1. Evolution de la microstructure dans un environnement standard 119 - 2.b.1.1. Approche quantitative de la cinetique de vieillissement physique 119 - 2.b.1.2. Evolution des proprietes viscoelastiques en fonction du temps 121 - 2.b.2. Effets du vieillissement en milieu humide 123 - 2.b.2.1. Cinetique d'absorption de l’eau par les adhesifs 123 - 2.b.2.1.1. Protocole experimental 123 - 2.b.2.1.2. Cinetique d’absorption 124 - 2.b.2.1.3. Prise en compte des phenomenes d'hydrolyse dans la modelisation 131 - 2.b.2.2. Reversibilite du processus d'absorption 134 - 2.b.2.2.1. Cinetique de desorption 134 - 2.b.2.2.2. Cyclage – reabsorption 137 - 2.b.2.3. Effet du vieillissement humide sur les proprietes mecaniques et physico-chimiques des adhesifs 139 - 2.b.2.3.1. Influence sur les proprietes mecaniques 139 - 2.b.2.3.2. Influence du vieillissement humide sur les proprietes viscoelastiques 141 - 2.c. Cinetiques de vieillissement des adhesifs dans les assemblages colles 147 - 2.c.1. Cinetique de vieillissement physique 147 - 2.c.2. Phenomenes de vieillissement en milieu aqueux 150 - 2.c.2.1. Cinetique d’absorption des joints immerges 150 - 2.c.2.2. Cinetique de desorption des joints 152 - 2.c.2.3. Cycles d’absorption successifs 154 - Chapitre 3., Comportement mecanique des assemblages colles developpement d’un modele predictif base sur la theorie du premier gradient de l’endommagement - 3.a. Probleme en conditions de traction homogene 161 - 3.a.1. Definition de la configuration experimentale 161 - 3.a.2. Resolution theorique a partir du modele initial 164 - 3.a.3. Comparaison theorie/resultats experimentaux 168 - 3.a.4. Raffinement du modele 169 - 3.a.4.1. Analyse du comportement experimental lors de cycles charges/decharges 169 - 3.a.4.1.1. Description de l’essai mecanique 169 - 3.a.4.1.2. Mise en evidence d’un phenomene de fluage du joint 171 - 3.a.4.1.3. Mise en evidence d’un phenomene de raidissement en debut d’essai 173 - 3.a.4.1.4. Comportement a la rupture 174 - 3.a.4.2. Prise en compte des phenomenes de fluage et de raidissement dans le modele 176 - 3.a.4.2.1. Nouvelles hypotheses 176 - 3.a.4.2.2. Lois de comportement generales des assemblages colles 178 - 3.a.5. Identification des parametres du modele optimise 180 - 3.a.5.1. Resolution theorique du probleme de traction homogene a partir du modele optimise 181 - 3.a.5.1.1. Mise en equations 181 - 3.a.5.1.2. Resolution du systeme 182 - 3.a.5.2. Confrontation avec l’experience – determination des parametres du modele 183 - 3.b. Probleme en conditions non homogenes 185 - 3.b.1. Definition d’une configuration experimentale avec gradient d’endommagement a l’interface 185 - 3.b.1.1. Description de l'essai en conditions non homogenes 185 - 3.b.1.2. Determination des equations decrivant le comportement de l'assemblage dans le cadre de la mecanique elastique 186 - 3.b.1.2.1. Mise en equations 186 - 3.b.1.2.2. Resolution dans le cas elastique 188 - 3.b.2. Resolution du probleme non homogene au moyen du modele de premier gradient de l'endommagement 190 - 3.b.3. Experiences de cisaillement sur des joints a double recouvrement 193 - 3.b.3.1. Description des experiences de cisaillement sur des joints a double recouvrement 193 - 3.b.3.2. Resultats experimentaux 194 - Conclusion 201 - Annexe 1: Caracterisation chimique des systemes epoxydes commerciaux etudies: modes operatoires utilises - Annexe 2: Spectres infrarouges des systemes epoxydes commerciaux utilises - Annexe 3: Modelisation de la prise en eau par la loi de fick liste des figures 229 - Liste des tableaux 235 - References bibliographiques 239en
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language.isofren
subjectassemblages collésen
subjectmodelisationen
subjectadhésionen
subjectvieillissementen
subjectgradient de l'endommagementen
subjectdurabilitéen
subjectépoxyen
subject.classificationICAR 08; Scienza delle costruzionien
titleDurabilità degli assemblaggi incollati: sviluppo di un modello meccanico predittivo tenendo conto delle proprietà fisico-chimiche dell’adesivoen
title.alternativeDurabilité des assemblages colles: modelisation mécanique et physico-chimiqueen
typeDoctoral thesisen
degree.nameDottorato in ingegneria delle struttureen
degree.levelDocteur de l’Ecole Nationale Des Ponts et Chaussées - spécialité: structures et matériaux; Dottore di ricerca in Ingegneria delle Struttureen
degree.disciplineFacoltà di Ingegneriaen
degree.grantorUniversità degli Studi di Roma Tor Vergataen
date.dateofdefense31 marzo 2004en
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liste_tableaux.pdfliste des tableaux16KbAdobe PDFView/Open
liste_figures.pdfliste des figures28KbAdobe PDFView/Open
conclusion.pdfconclusion19KbAdobe PDFView/Open
annexe3.pdfannexe 3384KbAdobe PDFView/Open
annexe2.pdfannexe 2498KbAdobe PDFView/Open
annexe1.pdfannexe 133KbAdobe PDFView/Open
chapitre3.pdfchapitre 3994KbAdobe PDFView/Open
chapitre2.pdfchapitre 22431KbAdobe PDFView/Open
chapitre1.pdfchapitre 1792KbAdobe PDFView/Open
Introduction.pdfIntroduction16KbAdobe PDFView/Open

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