Modélisation de la fissuration en milieu viscoélastique par approche Thick Level Set pour application au cas des enrobés bitumineux

Modeling of fracture in viscoelastic medium using the Thick Level Set approach for application to bituminous materials

• Auteur / Autrice : Benjamin Shiferaw
• Direction : Nicolas Moës, Jean-Michel Piau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 25/11/2019
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux (France ; 2011-2019)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Ragueneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Moës, Jean-Michel Piau, Frédéric Ragueneau, Véronique Lazarus, Cyrille Chazallon, Olivier Chupin, Benoît Lé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Lazarus, Cyrille Chazallon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Chaussées -- Fissuration

Éléments finis, Méthode des

Algorithmes

Rhéologie

Matériaux bitumineux

Mots clés libres

Thermo-viscoélasticité

Endommagement

Fissuration

Thick Level Set

Méthode des éléments Finis

Enrobé bitumineux

Thermo-viscoelasticity

Damage

Fracture

Thick Level Set (TLS)

Finite elements method

Bituminous mixtures

Résumé

La fissuration des couches d’enrobé bitumineux (EB) est un mode de dégradation majeur des chaussées, dont la compréhension des divers mécanismes et facteurs responsables nécessite entre autres le développement de modélisations théoriques et d’outils numériques. Dans ce cadre cette thèse s’intéresse à la fissuration des matériaux à rhéologie thermo-viscoélastique. Un modèle d’endommagement local est ainsi développé en se basant sur le principe de contraintes effectives et la loi rhéologique de Poynting-Thomson. Le critère d’endommagement adopté repose sur le taux de restitution d’énergie élastique. Ce modèle est ensuite régularisé par l’approche Thick Level Set (TLS). L’étude semianalytique d’une barre 1D en traction monotone directe permet d’investiguer l’aptitude de ce modèle à reproduire les principales observations expérimentales faites sur EB. Un algorithme de calcul par méthode aux éléments finis permettant alors d’étendre la résolution au cas de problèmes 2D est proposé et implémenté dans le code de calcul eXlibris de l’ECN. Nous montrons la capacité de cet outil à simuler l’initiation et la propagation de fissure avec endommagement d’une poutre viscoélastique chargée en flexion trois points. Les simulations rendent compte du caractère plus ou moins fragile/ductile des résultats d’essais observés sur EB en fonction de la température du matériau et de la vitesse de chargement. Ces travaux offrent ainsi une base théorique et numérique pour de futures applications en Mécanique des Chaussées.

Fracture of asphalt concrete (AC) layers is a major mode of deterioration in pavements, whose understanding of the various mechanisms requires the development of theoretical models and numerical tools. In this context, the research focuses on damage and fracture in thermo-viscoelastic materials. Hence, a local damage model is developed based on the principle of effective stresses and the Poynting-Thomson rheological law. The damage criterion considered relies on the elastic energy release rate. This model is then regularized according to the Thick Level Set (TLS) approach. The semi-analytical study of the 1D rod subjected to monotonous direct tension is performed to investigate the ability of the model to mimic the main experimental observations made for AC materials. An algorithm dedicated to the finite element solution of 2D problems is proposed and implemented subsequently in the eXlibris numerical code developed at ECN. The potential of this model to simulate damage and crack growth from initiation to collapse is demonstrated through the example of a viscoelastic beam under three-point bending test loading conditions. The simulations reflect the more or less brittle/ductile nature of the test results observed on AC materials depending on temperature and the loading rate. This work offers a theoretical and numerical basis for future applications in pavement mechanics.