Contribution à la durabilité des câbles de Génie Civil vis-à-vis de la fatigue par un dispositif amortisseur à base de fils NiTi

par Guillaume Helbert

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Philippe Pilvin et de Mohamadou Lamine Dieng.

Le jury était composé de Pierre Argoul, Denis Favier.

Les rapporteurs étaient Xavier Balandraud, Christian Cremona.


  • Résumé

    Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) possèdent, entre autres, des propriétés de superélasticité et de mémoire de forme remarquables dues à une transformation de phase solide-solide entre l'austénite et la martensite. En particulier, les AMF à base de Nickel-Titane (NiTi) sont aussi utilisés dans l'industrie, pour leur résistance à l'oxydation et leur tenue en fatigue. Leur capacité à dissiper l'énergie incite à leur utilisation au sein de dispositifs amortisseurs dédiés au Génie Civil. En effet, les sources de vibration (trafic routier, séismes, vent, pluie...) affectent la durabilité, vis-à-vis de la fatigue, des câbles de pont. Les amortisseurs de type hydraulique, utilisés jusqu'à aujourd'hui, peuvent transmettre des contraintes néfastes à la structure hors de leur domaine d'utilisation (en fréquence et amplitude). Un nouveau dispositif à base de fils NiTi est étudié au cours de cette thèse. Toutefois, ce matériau adapte son comportement thermomécanique aux conditions de chargement et à l'environnement thermique. Cette étude a permis de mettre au point un outil numérique destiné à caractériser l'influence d'un tel dispositif sur la réponse dynamique d'un système "câble+amortisseur". Pour cela, le matériau est caractérisé expérimentalement afin d'alimenter un nouveau modèle numérique du comportement thermomécanique en superélasticité, à l'échelle du VER. Le modèle proposé est validé selon un critère énergétique. Celui-ci est ensuite étendu à l'échelle du fil par un modèle non-local, afin d'explorer les effets d'hétérogénéité de comportement, dans le but d'une utilisation concrète. Un prototype d'amortisseur, développé au cours de cette thèse, a été testé avec succès sur un câble de pont à l'échelle 1. Le dispositif montre une réelle efficacité à réduire les amplitudes de vibration du câble. L'analyse de différentes configurations d'essais sur le câble fournit des pistes d'optimisation du système. Un modèle d'éléments finis associé, intégrant la loi de comportement du fil, permet de réaliser une analyse dynamique transitoire. Celui-ci est validé, justifiant ainsi la prise en compte des différentes sources de dissipation observées expérimentalement, à savoir : la dissipation intrinsèque, le couplage thermomécanique et la présence d'une phase solide intermédiaire (R-phase). Ces dernières peuvent être découplées, afin d'évaluer leur contribution à l'amortissement du câble.}

  • Titre traduit

    Contribution to the durability of Civil Engineering cables subjected to fatigue, using a NiTi wires-based damping device


  • Résumé

    Shape memory alloys (SMA) have many interesting properties due to solid-solid phase transformations (usually between austenite and martensite), such as super-elasticity and/or shape memory effects. More particularly, Nickel-Titanium (NiTi) based SMA are currently used in many industrial fields for their oxydation resistance and their fatigue resistance. Furthermore, their dissipation capacities make them particularly suitable for using as dampers dedicated to Civil Engineering issues. Indeed, several phenomena (road traffic, earthquakes, wind, rain...) which are the main causes of structure vibrations, affect the sustainability of bridge cables. Current solutions, consisting in setting-up hydraulic dampers, are not satisfactory out of their working range in terms of amplitude and frequency. A new device based on NiTi wires is studied in this thesis. However, this material adapts its thermomechanical response according to input loading rates or amplitudes and thermal surroundings.In the thesis, we have developed a numerical tool which enables to predict the NiTi wires based damper influence on the dynamical response of the cable. Thus, the specimens are characterized using experimental tests in order to build a numerical thermomecanical model taking into account the superelasticity effect, at the REV scale. The model is validated according to an energetical criterion. The model is then extended to the scale of the structure, using a non-local finite elements model, in order to investigate heterogeneity effects.A damping device, developed during the thesis, is tested successfully on a full-scale bridge cable. Furthermore, the NiTi wires based damping device shows a real damping power effectiveness. The study of several test configurations provides recommendations for optimisation of the system. A related finite elements model is used to realize a transient dynamic analysis. The model, which lies on the superelastic law, is validated. It justifies, afterwards, the consideration of phenomena assumed to be sources of dissipation, such as intrinsic dissipation, thermomechanical coupling and R-phase transformation. These phenomena can be numerically isolated, to evaluate how they take part in the mitigation of cable vibrations.


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