Phân tích localized failure - Ứng dụng vào thép, bê tông và bê tông cốt thép
Phân tíchLocalized failure trong cơ học nhiệt - ứng dụng cho thép, bê tông và bê tông chịu lực.
École Normale Supérieure de Cachan
Cơ khí - Kỹ thuật Cơ khí - Kỹ thuật Xây dựng
Luan An
Luận án
Năm xuất bản
Số trang
157
Thời gian đọc
24 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Mục lục chi tiết
Tóm tắt nội dung
I.Phân tích hư hỏng cục bộ Nguyên lý và cơ chế nền tảng
Phân tích hư hỏng cục bộ là một lĩnh vực quan trọng trong cơ học vật liệu và kết cấu. Hiện tượng này xảy ra khi các vết nứt, biến dạng hoặc đứt gãy tập trung tại một vùng nhỏ của vật liệu, dẫn đến sự suy giảm đáng kể khả năng chịu tải của cấu trúc. Việc hiểu rõ cơ chế này là thiết yếu để thiết kế các hệ thống an toàn và bền vững. Nghiên cứu này đi sâu vào các yếu tố gây ra localized failure, từ những bất đồng nhất về vật liệu đến các điều kiện tải trọng phức tạp. Phân tích tập trung vào cách ứng suất và biến dạng cục bộ hình thành, cũng như ảnh hưởng của chúng đến cơ học phá hủy tổng thể. Mục tiêu là phát triển các phương pháp dự đoán chính xác sự khởi đầu và tiến triển của localized failure, đặc biệt trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Tài liệu cung cấp cái nhìn tổng quan về các lý thuyết và mô hình hiện có, mở ra hướng nghiên cứu mới để giải quyết các thách thức trong thực tiễn kỹ thuật. Sự hiểu biết sâu sắc về localized failure mechanics giúp tối ưu hóa vật liệu và cấu trúc, tăng cường độ tin cậy và tuổi thọ. Đây là bước đột phá trong việc phòng ngừa các sự cố phá hủy. Các phát hiện có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Chúng hỗ trợ đánh giá rủi ro và phát triển các tiêu chuẩn thiết kế mới.
1.1. Khái niệm hư hỏng cục bộ và tầm quan trọng
Hư hỏng cục bộ (localized failure) là quá trình mất khả năng chịu tải cục bộ của vật liệu hoặc cấu trúc. Điều này thường bắt đầu tại các điểm tập trung ứng suất cao hoặc khuyết tật. Đây là một hiện tượng quan trọng trong cơ học phá hủy, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và độ an toàn của các hệ thống kỹ thuật. Các nghiên cứu về localized failure mechanics giúp nhận diện các vùng nguy hiểm tiềm ẩn. Các kỹ sư có thể đưa ra giải pháp thiết kế tối ưu hơn. Sự hiểu biết về localized failure cũng quan trọng trong đánh giá an toàn của các cấu trúc cũ. Phân tích này hỗ trợ việc đưa ra các quyết định bảo trì hoặc thay thế. Tầm quan trọng của localized failure thể hiện rõ trong các ngành như hàng không, năng lượng hạt nhân và xây dựng. Một localized failure nhỏ có thể dẫn đến sự cố lớn, gây thiệt hại nghiêm trọng. Do đó, việc nắm vững khái niệm và cơ chế là nền tảng. Các nhà khoa học cần phát triển các mô hình dự đoán chính xác hơn. Những mô hình này giúp giảm thiểu rủi ro và tăng cường độ tin cậy của các hệ thống.
1.2. Các yếu tố thúc đẩy tập trung ứng suất và biến dạng
Nhiều yếu tố có thể thúc đẩy sự tập trung ứng suất và biến dạng cục bộ, dẫn đến localized failure. Các khuyết tật vật liệu như lỗ rỗng, vết nứt nhỏ, hoặc tạp chất đóng vai trò là điểm khởi đầu. Hình dạng cấu trúc không đồng đều hoặc các góc sắc cũng tạo ra tập trung ứng suất đáng kể. Dưới tác động của tải trọng, ứng suất sẽ tập trung tại những điểm này. Điều này vượt quá giới hạn bền cục bộ của vật liệu. Biến dạng cục bộ xảy ra khi vật liệu bắt đầu dẻo hóa hoặc phá hủy tại vùng nhỏ đó. Các yếu tố môi trường như nhiệt độ cao hoặc sự ăn mòn có thể làm suy yếu vật liệu. Điều này làm tăng khả năng xảy ra localized failure. Trong các vấn đề nhiệt-cơ học, sự thay đổi nhiệt độ gây ra ứng suất nhiệt. Kết hợp với tải trọng cơ học, chúng làm tăng đáng kể mức độ tập trung ứng suất. Phân tích kỹ lưỡng các yếu tố này là cần thiết. Điều này giúp dự đoán chính xác vị trí và thời điểm localized failure. Hiểu rõ các nguyên nhân giúp phát triển vật liệu mới bền hơn. Các kỹ thuật thiết kế tốt hơn cũng được hình thành để giảm thiểu rủi ro.
1.3. Phân biệt các chế độ localized failure
Localized failure biểu hiện dưới nhiều chế độ khác nhau, tùy thuộc vào loại vật liệu và điều kiện tải trọng. Các chế độ phổ biến bao gồm sự hình thành dải trượt (shear bands), biến dạng cục bộ (strain localization), và sự lan truyền vết nứt (fracture mechanics). Dải trượt là vùng hẹp nơi biến dạng dẻo tập trung cao. Chúng thường xuất hiện trong vật liệu dẻo dưới tải trọng cắt. Strain localization là hiện tượng biến dạng trở nên không đồng đều. Nó tập trung vào các khu vực cụ thể thay vì phân bố đều khắp vật liệu. Cơ học vết nứt tập trung vào sự hình thành và lan truyền của các vết nứt macro. Đây là một dạng localized failure nghiêm trọng. Trong vật liệu giòn, localized failure thường biểu hiện dưới dạng nứt và đứt gãy đột ngột. Trong vật liệu dẻo, nó liên quan đến sự hình thành cổ thắt hoặc dải trượt. Việc phân biệt các chế độ này rất quan trọng. Điều này giúp lựa chọn mô hình dự đoán và phương pháp kiểm soát localized failure phù hợp. Mỗi chế độ đòi hỏi một cách tiếp cận phân tích riêng biệt. Điều này đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong kỹ thuật.
II.Cơ học phá hủy vật liệu Biến dạng cục bộ tập trung ứng suất
Cơ học phá hủy là một nhánh khoa học nghiên cứu sự khởi đầu và lan truyền của vết nứt trong vật liệu. Lĩnh vực này đặc biệt quan tâm đến biến dạng cục bộ và tập trung ứng suất như các yếu tố chính dẫn đến localized failure. Khi một vật liệu chịu tải, các vùng có ứng suất cao sẽ bắt đầu biến dạng dẻo nhiều hơn so với các vùng khác. Hiện tượng này được gọi là strain localization. Strain localization thường dẫn đến sự hình thành dải trượt (shear bands) hoặc các vùng biến dạng tập trung. Đây là tiền đề cho sự xuất hiện của các vết nứt vĩ mô. Hiểu rõ cơ chế này là cốt lõi để dự đoán hành vi phá hủy của vật liệu. Đặc biệt là trong điều kiện tải trọng phức tạp hoặc môi trường khắc nghiệt. Các mô hình cơ học phá hủy hiện đại cố gắng mô tả chi tiết quá trình này. Từ đó, chúng có thể đưa ra dự đoán về thời điểm và cách thứcLocalized failure xảy ra. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm là cần thiết. Điều này giúp xác nhận tính đúng đắn của các mô hình. Các nhà khoa học cũng đang phát triển các vật liệu mới. Chúng có khả năng chống lại strain localization và tập trung ứng suất tốt hơn. Nghiên cứu này đóng góp vào sự phát triển của vật liệu bền vững.
2.1. Lý thuyết strain localization và dải trượt shear bands
Strain localization là hiện tượng biến dạng dẻo không còn phân bố đồng đều mà tập trung vào các vùng hẹp. Những vùng này được gọi là dải trượt (shear bands). Dải trượt thường xuất hiện trong vật liệu dẻo dưới điều kiện tải trọng cắt hoặc nén. Sự hình thành dải trượt là một cơ chế quan trọng của localized failure. Nó dẫn đến sự suy giảm độ bền và độ dẻo của vật liệu. Lý thuyết strain localization xem xét các điều kiện ổn định của biến dạng. Nó dự đoán khi nào biến dạng sẽ chuyển từ đồng đều sang cục bộ hóa. Các yếu tố như độ nhạy biến dạng, độ nhạy nhiệt độ và độ cứng hóa biến dạng đều ảnh hưởng đến sự hình thành dải trượt. Trong các vấn đề thermo-mechanics coupled, nhiệt độ tăng cục bộ do biến dạng dẻo có thể làm mềm vật liệu. Điều này làm tăng xu hướng strain localization và hình thành dải trượt. Các mô hình vật liệu nâng cao được sử dụng để mô tả chính xác hành vi này. Việc phân tích dải trượt cung cấp thông tin quý giá về localized failure. Nó giúp kỹ sư thiết kế vật liệu và cấu trúc chống lại sự phá hủy cục bộ.
2.2. Cơ học vết nứt và sự lan truyền hư hỏng
Cơ học vết nứt (fracture mechanics) là công cụ thiết yếu để phân tích localized failure. Nó nghiên cứu sự khởi đầu và lan truyền của các vết nứt trong vật liệu. Khi một vết nứt hình thành, nó tạo ra một vùng tập trung ứng suất cực kỳ cao tại đỉnh vết nứt. Điều này thúc đẩy sự lan truyền vết nứt. Các vết nứt có thể lan truyền theo ba chế độ khác nhau: chế độ mở (khi hai mặt vết nứt tách rời), chế độ trượt (khi hai mặt trượt song song với nhau), và chế độ xé (khi hai mặt trượt vuông góc với nhau). Việc xác định các yếu tố cường độ ứng suất vết nứt (stress intensity factors) là trọng tâm của cơ học vết nứt. Các yếu tố này cho biết mức độ tập trung ứng suất tại đỉnh vết nứt. Chúng giúp dự đoán khả năng lan truyền vết nứt. Phân tích localized failure thường kết hợp với cơ học vết nứt để đánh giá rủi ro phá hủy. Đặc biệt quan trọng đối với các cấu trúc lớn và phức tạp. Nắm vững cơ học vết nứt cho phép thiết kế các cấu kiện có khả năng chống lan truyền vết nứt tốt hơn. Nó cũng hỗ trợ việc đánh giá tuổi thọ còn lại của các cấu trúc đã bị hư hỏng.
2.3. Vai trò của biến dạng dẻo trong localized failure
Biến dạng dẻo đóng vai trò trung tâm trong localized failure, đặc biệt đối với vật liệu kim loại và polymer. Trước khi phá hủy hoàn toàn, vật liệu thường trải qua một giai đoạn biến dạng dẻo. Trong giai đoạn này, năng lượng được hấp thụ, và biến dạng có thể tập trung cục bộ. Khi biến dạng dẻo tập trung vào một vùng nhỏ, nó gây ra strain localization. Điều này dẫn đến sự hình thành dải trượt hoặc cổ thắt. Biến dạng dẻo cũng có thể gây ra hiện tượng làm cứng cục bộ hoặc làm mềm cục bộ. Điều này ảnh hưởng đến khả năng chống localized failure. Trong các vấn đề thermo-mechanics coupled, biến dạng dẻo tạo ra nhiệt. Nhiệt độ tăng lên làm giảm giới hạn chảy của vật liệu. Điều này lại thúc đẩy biến dạng dẻo và localized failure. Việc mô hình hóa chính xác hành vi biến dạng dẻo là chìa khóa. Điều này giúp dự đoán thời điểm và vị trí localized failure. Các mô hình vật liệu dẻo – phá hủy phức tạp được sử dụng. Chúng xem xét sự tương tác giữa biến dạng dẻo, nhiệt độ và các cơ chế phá hủy vi mô. Hiểu rõ vai trò này giúp phát triển vật liệu có khả năng hấp thụ năng lượng tốt hơn. Chúng có khả năng chống lạilocalized failure hiệu quả hơn.
III.Mô hình hóa localized failure Vấn đề nhiệt cơ học
Mô hình hóa localized failure là một thách thức lớn trong cơ học tính toán. Đặc biệt là khi xem xét các vấn đề thermo-mechanics coupled. Việc mô hình hóa cần phải nắm bắt được sự tương tác phức tạp giữa tải trọng cơ học và hiệu ứng nhiệt độ. Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính chất vật liệu. Nó làm thay đổi giới hạn chảy, độ bền và độ cứng, từ đó tác động trực tiếp đến localized failure. Ngược lại, biến dạng dẻo và ma sát trong quá trình localized failure cũng sinh nhiệt cục bộ. Điều này tạo ra một vòng lặp phản hồi gây phức tạp cho quá trình phân tích. Các phương pháp mô hình hóa tiên tiến như phần tử hữu hạn (FEM) kết hợp với các mô hình vật liệu phi tuyến được sử dụng. Chúng cho phép mô phỏng chính xác hành vi localized failure trong các điều kiện thực tế. Sự phát triển của các mô hình phá hủy có xét đến nhiệt độ là trọng tâm. Chúng nhằm cải thiện khả năng dự đoán và kiểm soát localized failure trong các ứng dụng kỹ thuật cao. Mục tiêu là tạo ra các công cụ mô phỏng đáng tin cậy. Chúng có thể đánh giá rủi ro và tối ưu hóa thiết kế trong môi trường khắc nghiệt.
3.1. Các phương pháp mô hình hóa hành vi vật liệu
Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp mô hình hóa hành vi vật liệu tiên tiến để phân tích localized failure. Các mô hình dẻo-phá hủy được áp dụng. Chúng mô tả cả biến dạng dẻo và quá trình hư hỏng của vật liệu. Các mô hình chất dẻo đàn hồi và chất dẻo đàn nhớt thường được dùng. Chúng mô tả phản ứng của vật liệu dưới tải trọng và nhiệt độ khác nhau. Đặc biệt, mô hình vật liệu có tính nhạy biến dạng và nhạy nhiệt độ được phát triển. Chúng nắm bắt được sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào tốc độ biến dạng và nhiệt độ. Các mô hình này được tích hợp vào các phần mềm phần tử hữu hạn. Điều này cho phép mô phỏng hành vi phức tạp của localized failure. Sự lựa chọn mô hình vật liệu phù hợp là rất quan trọng. Điều này đảm bảo độ chính xác của kết quả mô phỏng. Việc kiểm tra và hiệu chuẩn mô hình bằng dữ liệu thực nghiệm là một bước không thể thiếu. Điều này giúp xác nhận tính đúng đắn và khả năng dự đoán của mô hình. Các phương pháp này cung cấp một công cụ mạnh mẽ. Chúng giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về localized failure mechanics.
3.2. Coupling thermo mechanics Phân tích tương tác
Coupling thermo-mechanics là yếu tố then chốt trong phân tích localized failure. Đặc biệt đối với các ứng dụng trong môi trường nhiệt độ cao hoặc tải trọng tốc độ cao. Sự tương tác giữa trường nhiệt độ và trường biến dạng cơ học có thể làm thay đổi đáng kể hành vi phá hủy của vật liệu. Nhiệt độ cao có thể làm mềm vật liệu. Điều này làm giảm độ bền và tăng khả năng biến dạng dẻo. Nó thúc đẩy strain localization. Ngược lại, quá trình biến dạng dẻo sinh nhiệt nội tại (dissipation energy). Điều này dẫn đến sự tăng nhiệt độ cục bộ trong vùng localized failure. Hiện tượng này làm tăng tốc độ localized failure. Phân tích tương tác thermo-mechanics đòi hỏi các phương trình liên hợp. Chúng giải quyết đồng thời các trường nhiệt độ và cơ học. Điều này phức tạp hơn nhiều so với việc phân tích riêng lẻ. Các kỹ thuật số tiên tiến như giải pháp liên tục (fully coupled solution) hoặc giải pháp bán liên tục (partially coupled solution) được sử dụng. Chúng đảm bảo tính chính xác trong việc mô phỏng các vấn đề localized failure chịu ảnh hưởng nhiệt.
3.3. Mô phỏng số và dự đoán vị trí localized failure
Mô phỏng số, đặc biệt là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), là công cụ không thể thiếu để dự đoán vị trí localized failure. Các mô hình FEM cho phép tái tạo môi trường tải trọng và điều kiện nhiệt độ phức tạp. Các thuật toán nâng cao được phát triển để xử lý các mô hình vật liệu phi tuyến. Chúng có thể mô tả chính xác localized failure mechanics. Việc sử dụng lưới phần tử adaptative giúp cải thiện độ chính xác tại các vùng tập trung ứng suất và biến dạng cục bộ. Điều này quan trọng để nắm bắt sự hình thành của dải trượt hoặc vết nứt. Mô phỏng số cũng giúp đánh giá ảnh hưởng của các thông số vật liệu và hình học đến localized failure. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin chi tiết về sự phân bố ứng suất, biến dạng và nhiệt độ. Điều này giúp dự đoán chính xác nơi localized failure sẽ xảy ra. Các kết quả này sau đó được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế. Nó giúp tăng cường khả năng chốnglocalized failure. Nó cũng hỗ trợ việc kiểm tra độ an toàn của cấu trúc trước khi sản xuất thực tế.
IV.Ứng dụng phân tích hư hỏng Thép bê tông bê tông cốt thép
Phân tích hư hỏng cục bộ có ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật. Đặc biệt là đối với các vật liệu xây dựng chủ chốt như thép, bê tông và bê tông cốt thép. Mỗi loại vật liệu này có đặc tính và cơ chế localized failure riêng biệt. Do đó, việc áp dụng các mô hình và phương pháp phân tích cần được điều chỉnh phù hợp. Nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng localized failure mechanics cho các cấu trúc chịu điều kiện thermo-mechanics coupled. Ví dụ, thép có thể chịu biến dạng dẻo lớn trước khi phá hủy, nhưng cũng dễ bị localized failure ở nhiệt độ cao. Bê tông, một vật liệu giòn, thường bị localized failure dưới dạng nứt và vỡ vụn. Bê tông cốt thép phức tạp hơn do sự tương tác giữa bê tông và cốt thép. Sự hiểu biết sâu sắc về localized failure trong từng vật liệu này là cần thiết. Điều này giúp các kỹ sư thiết kế các công trình bền vững và an toàn hơn. Các ứng dụng thực tế bao gồm thiết kế chống cháy nổ, đánh giá khả năng chịu động đất và dự đoán tuổi thọ của các cấu trúc quan trọng. Việc áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn kỹ thuật sẽ mang lại lợi ích lớn.
4.1. Localized failure trong vật liệu thép Đặc điểm và giải pháp
Localized failure trong vật liệu thép có những đặc điểm riêng biệt. Thép thường là vật liệu dẻo, có khả năng biến dạng lớn trước khi phá hủy. Tuy nhiên, dưới tải trọng tốc độ cao hoặc ở nhiệt độ cao, thép có thể trải qua localized failure. Điều này xảy ra thông qua sự hình thành cổ thắt hoặc dải trượt (shear bands). Các yếu tố như thành phần hợp kim, quá trình gia công và lịch sử tải trọng đều ảnh hưởng đếnLocalized failure mechanics của thép. Trong các vấn đề thermo-mechanics coupled, nhiệt độ cao làm giảm đáng kể độ bền và độ cứng của thép. Điều này thúc đẩy strain localization và tăng khả năng localized failure. Để giảm thiểu localized failure trong thép, các giải pháp bao gồm sử dụng thép hợp kim đặc biệt. Chúng có khả năng chịu nhiệt và biến dạng tốt hơn. Các kỹ thuật thiết kế cũng cần tính đến tập trung ứng suất. Phân tích localized failure giúp tối ưu hóa hình dạng và kích thước của các bộ phận thép. Điều này nhằm tránh các vùng có nguy cơ cao. Việc áp dụng lớp phủ bảo vệ hoặc hệ thống làm mát cũng là một giải pháp hiệu quả. Điều này giúp kiểm soát nhiệt độ và giảm rủi ro localized failure.
4.2. Hư hỏng localized trong bê tông và bê tông cốt thép
Bê tông là vật liệu giòn, dễ bị localized failure dưới dạng nứt và vỡ vụn. Các vết nứt thường bắt đầu từ các khuyết tật vi mô. Chúng lan truyền nhanh chóng khi ứng suất vượt quá giới hạn bền kéo của bê tông. Trong bê tông cốt thép, localized failure phức tạp hơn do sự tương tác giữa bê tông và cốt thép. Sự mất liên kết giữa hai vật liệu này cũng là một dạng localized failure quan trọng. Nó làm giảm khả năng chịu lực của cấu kiện. Các vấn đề thermo-mechanics coupled gây ra ứng suất nhiệt đáng kể trong bê tông. Điều này làm tăng nguy cơ nứt và phá hủy. Đặc biệt, sự giãn nở khác nhau giữa bê tông và cốt thép dưới tác động nhiệt có thể làm trầm trọng thêm localized failure. Phân tíchlocalized failure mechanics cho bê tông và bê tông cốt thép đòi hỏi các mô hình phức tạp. Các mô hình này tính đến hành vi vật liệu phi tuyến, sự xuất hiện của vết nứt và sự tương tác vật liệu. Các nghiên cứu này giúp cải thiện thiết kế kết cấu bê tông cốt thép. Từ đó, chúng có thể chống lại localized failure trong các điều kiện khắc nghiệt.
4.3. Đánh giá và thiết kế kết cấu chống localized failure
Việc đánh giá và thiết kế kết cấu chống localized failure đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện. Điều này bao gồm việc sử dụng các mô hình localized failure mechanics tiên tiến. Các mô hình này giúp dự đoán chính xác các vùng có nguy cơ cao. Đánh giá rủi ro phải xem xét các yếu tố như loại vật liệu, điều kiện tải trọng, nhiệt độ môi trường và tuổi thọ dự kiến của cấu trúc. Các tiêu chuẩn thiết kế mới cần được phát triển. Chúng tích hợp các kết quả từ phân tích localized failure. Mục tiêu là đảm bảo rằng các cấu trúc có khả năng chống lại sự hình thành và lan truyền của các hư hỏng cục bộ. Việc sử dụng vật liệu composite hoặc vật liệu tự phục hồi cũng là một hướng đi tiềm năng. Các kỹ thuật gia cường như pre-stressing hoặc sử dụng sợi gia cường cũng có thể giảm thiểu localized failure. Phân tích hậu sự cố cũng đóng vai trò quan trọng. Điều này giúp học hỏi từ các trường hợp localized failure thực tế và cải thiện các phương pháp thiết kế trong tương lai. Các kỹ sư cần áp dụng kiến thức về localized failure mechanics. Điều này giúp họ tạo ra các giải pháp an toàn và hiệu quả cho các thách thức kỹ thuật hiện đại.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (157 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộLocalized failure for coupled thermo-mechanics problems : applications to steel, concrete and reinforced concrete van Minh Ngo To cite this version: van Minh Ngo. Localized failure for coupled thermo-mechanics problems : applications to steel, con- crete and reinforced concrete. École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2013. �tel-00978452� HAL Id: tel-00978452 https://theses.science/tel-00978452 Submitted on 14 Apr 2014 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not.
The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. ENSC-(n° d’ordre) THESE DE DOCTORAT DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN Présentée par Monsieur NGO Van Minh pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN Domaine : MECANIQUE- GENIE MECANIQUE – GENIE CIVIL Sujet de la thèse : Localized Failure for Coupled Thermo-Mechanics Problems: Applications to Steel, Concrete and Reinforced Concrete Thèse présentée et soutenue à Cachan le 06/12/2013 devant le jury composé de : Georges CAILLETAUD Professeur, École des Mines, Président du Jury Luc DAVENNE Maîtres de Conférences, Université Paris Ouest, Rapporteur Karam SAB Professeur, École des Ponts-ParisTech, Rapporteur Delphine BRANCHERIE Maîtres de Conférences, UTC, Examineur Pierre VILLON Professeur , UTC, Examineur Christophe KASSIOTIS Docteur, ASN, Invité Amor BOULKERTOUS Docteur, AREVA, Invité Adnan IBRAHIMBEGOVIC Professeur, ENS Cachan, Directeur de thèse LMT-Cachan, ENS CACHAN 61, avenue du Président Wilson, 94235 CACHAN CEDEX (France) 1 2 La rupture localisée pour les problèmes couplés thermomécaniques, applications en béton, acier et béton armé 3 Remerciements Ce travail de thèse s‟est déroulé au sein de la groupe „Construction sous conditions extrêmes‟ du Secteur Génie Civil, Laboratoire de Mécanique et Technologie (LMT-Cachan), Ecole Normale Superieure de Cachan. Ces quelques lignes sont dédiées à tous les personnes qui ont contribué de près ou loin d‟aboutissement de cette thèse, en m‟excusant d‟avance auprès de ceux ou celles que je n‟aurais pas eu la délicatesse de mentionner.
Mes premiers remerciment vont à Monsieur Adnan Ibrahimbegovic et Madamme Delphine Brancherie, qui ont initié et encadré mes travaux de thèse. Je leur suis reconnaissant de m‟avoir accordé leur confiance et d‟avoir su partager leur dynamisme et leur excellence scientifique avec une grande attention, faisant de nos rencontres des événements toujours stimulants. Je tiens à remercier Monsieur Georges Cailletaud d'avoir bien voulu, dans une période chargée, participer à mon jury de thèse et de m'avoir fait l'honneur d'en assurer la présidence. Tous mes remerciements et un respect profond vont également à ceux qui ont accepté la lourde et fastidieuse tâche de rapporter ce travail :Monsieur Luc Davenne et Monsieur Karam Sab.
Enfin, je remercie très sincèrement les examinateurs : Monsieur Pierre Villon, Monsieur Christophe Kassiotis et Monsieur Amor Boulkertous d'avoir accepté de participer à l'examen de ce travail. Je voudrais également remercier Monsieur Pierre Jehel, qui a été encadré mes travaux de master avec patience et sympathie. Je remercie θrofesseur Tran Duc ζhiem, θrofesseur Duong Thi εinh Thu, qui m‟ont démontré la signification d'être un enseignant et un ingénieur civil. Je remercie Madamme Nitta Ibrahimbegovic pour les bons dinners et les bons sentiments.
Je remercie mes amis: A. Hung, Hieu, Tien, Son, Pierre, Bahar, Nghia, Miha, Edouard, Mijo, Emina, Zvonamir, Bobo, He, Cécile, A.Hop, Tuan, Lan, Trang, Hung, Thu, Cuong, Huong,… et beaucoup d‟autres. Je me souviendrai du beau temps avec eux à l‟EζS Cachan. Enfin, à ma famille et à Sue je decide cette thèse.
4 Lời cảm ơn đến gia đình Con cảm ơn bố mẹ đã nuôi nấng, dạy bảo, yêu thương, tin tưởng, động viên, chăm sóc con, vợ chồng con và các cháu trong suốt những năm qua. Cảm ơn bố mẹ đã lo lắng mọi mặt để con có thể yên tâm bước trên con đường của mình. Kết quả nhỏ này con xin gửi tặng bố mẹ. Con cảm ơn những tình cảm của bố Quyền, mẹ Hạnh và em Trung; cảm ơn bố mẹ và em Trung đã luôn ở bên, thông cảm và giúp đỡ con, Quỳnh và các cháu Bin, Sue trong suốt thời gian con vắng nhà.
Cảm ơn anh chị Nam, Trang và các cháu Bống, Bon đã luôn hỗ trợ, động viên vợ chồng em và cháu Bin. Không có các bác và các chị, Bin chắc đã buồn hơn rất nhiều khi bố vắng nhà. Anh cảm ơn sự hi sinh và tình yêu của Quỳnh. Cho tất cả những gì đã xảy ra, anh xin lỗi vì đã không ở bên em quá lâu và cảm ơn em đã chăm sóc bố mẹ, chăm sóc các con.
Cảm ơn em đã đọc và sửa từng dòng trong quyển luận văn này. Cảm ơn em đã theo dõi từng bước đi, đã vui khi anh có một vài kết quả nhỏ, đã buồn khi anh gặp khó khăn và đã tha thứ mỗi khi anh làm em buồn. Cảm ơn em đã đem Bin và Sue đến trong cuộc sống của chúng ta. Luận văn này hoàn thành là lúc ba có thể về chơi ô tô với anh Bin và đón chào sự ra đời của em Sue như ba đã hứa.
Ba mẹ và anh Bin tặng luận văn này cho em Sue, thành viên mới trong một gia đình nhỏ mà từ nay sẽ luôn ở gần bên nhau. Ba hứa với các con là chúng ta sẽ ở bên nhau, chắc chắn là như vậy. 5 Abstract During the last decades, the localized failure of massive structures under thermo-mechanical loads becomes the main interest in civil engineering due to a number of construction damaged and collapsed due to fire accident. Two central questions were carried out concerning the theoretical aspect and the solution aspect of the problem.
In the theoretical aspect, the central problem is to introduce a thermo-mechanical model capable of modeling the interaction between these two physical effects, especially in localized failure. Particularly, we have to find the answer to the question: how mechanical loading affect the temperature of the material and inversely, how thermal loading result in the mechanical response of the structure. This question becomes more difficult when considering the localized failure zone, where the classical continuum mechanics theory can not be applied due to the discontinuity in the displacement field and, as will be proved in this thesis, in the heat flow. In terms of solution aspect, as this multi-physical problem is mathematical represented by a differential system, it can not be solved by an „exact‟ analytical solution and therefore, numerical approximation solution should be carried out.
This thesis contributes to both of these two aspects. Particularly, thermomechanical models for both steel and concrete (the two most important materials in civil engineering), which capable of controling the hardening behavior due to plasticity and/or damage and also the softening behavior due to the localized failure, are carried out and discussed. Then, the thermomechanical problems are solved by „adiabatic‟ operator split procedure, which „separates‟ the multi-physical process into the „mechanical‟ part and the „thermal‟ part. Each part is solved individually by another operator split procedure in the frame-work of embbed-discontinuity finite element method.
In which, the „local‟ discontinuities of the displacement field and the heat flow is solved in the element level, for each element where localized failure is detected. Then, these discontinuities are brought into the „static condensation‟ form of the overall equilibrium equation, which is used to solved the displacement field and the temperature field of the structure at the global level. The thesis also contributes to determine the ultimate response of a reinforced concrete frame submitted to fire loading. In which, we take into account not only the degradation of material properties due to temperature but also the thermal effect in identifying the total response of the 6 structure.
Moreover, in the proposed method, the shear failure is also considered along with the bending failure in forming the overal failure of the reinforced structure. The thesis can also be extended and completed to solve the behavior of reinforced concrete in 2D or 3D case considering the behavior bond interface or to take into account other type of failures in material such as fatigue or buckling. The proposed models can also be improved to determine the dynamic response of the structure when subjected to earthquake and/or impact. 7 Résumé Ces dernières années, l'étude de la rupture localisée des structures massives sous chargement thermomécanique est devenue un enjeu important en Génie Civil du fait de l'augmentation du nombre de constructions endommagées ou totalement effondrées après un feu.
Deux questions centrales ont émergé: la modélisation mathématique des phénomènes mis en jeu lors d'un feu d'une part et la simulation numérique de ces problèmes d'autre part. Concernant la modélisation mathématique, la principale difficulté est la mise en place de modèles thermomécaniques capables de modéliser le couplage existant entre les effets thermiques et mécaniques, en particulier dans une zone de rupture localisée. Comment le chargement mécanique affecte la distribution de température dans le matériau et inversement, comment le chargement thermique influence la réponse mécanique? Sont des questions qui doivent être abordées. Ces questions sont d'autant plus difficiles à aborder que l'on considère une zone de rupture où la mécanique des milieux continus classiques ne peut pas être appliquée du fait de la présence de discontinuités du champ de déplacement et, comme cela est démontré dans ce travail, du flux thermique.
Pour ce qui concerne la simulation numérique, la complexité du problème multi-physique posé en termes de système d'équations aux dérivées partielles impose le développement de méthodes de résolution approchées adaptées, efficaces et robustes, la solution analytique n'étant en général pas disponible. Cette thèse contribue sur tous les deux aspects précédents. En particulier, des modèles thermomécaniques pour le béton et l'acier (les deux principaux matériaux utilisés en Génie Civil) capables de contrôler simultanément les phases d'écrouissage accompagnées de plasticité et/ou d'endommagement diffus, ainsi que la phase adoucissante due au développement de macro- fissures, sont proposés. Le problème thermomécanique est ensuite résolu par une méthode dite «adiabatic operator split» qui consiste à séparer le problème multiphysique en une partie mécanique et une partie thermique.
Chaque partie est résolue séparément en utilisant une fois de plus une méthode «d'operator split» dans le cadre des méthodes à discontinuités fortes. Dans ces dernières, une discontinuité du champ de déplacement ou du flux thermique est introduite et gérée au niveau élémentaire du code de calcul Éléments Finis. Une procédure de condensation statique élémentaire permet de prendre en compte ces discontinuités sans modification de 8 l'architecture globale du code de calcul Éléments Finis fournissant les champs de déplacement et de température. Dans cette thèse est également abordée la question de l'évaluation de la réponse jusqu'à rupture de structures en béton armé de type poteaux/poutres soumises à un feu.
L'originalité de la formulation proposée est de tenir compte de la dégradation des propriétés mécaniques du matériau due au chargement thermique pour la détermination de la résistance limite et résiduelle des structures, mais également de prendre en compte deux types de rupture caractéristiques des structures poteaux/poutres à savoir les ruptures en flexion et les ruptures en cisaillement. Les travaux présentés dans cette thèse pourront être étendus pour décrire la rupture de structures en béton armé dans des cas bi ou tridimensionnels en tenant compte en particulier du comportement de l'interface acier/béton et/ou d'autres types de rupture comme la rupture par fatigue ou le flambage. Une extension possible est également la prise en compte des effets dynamiques mis en jeu lorsque la structure est sollicitée mécaniquement par un tremblement de terre ou un impact en plus de la sollicitation thermique. 9 Table of Contents Remerciements.
4 Lời cảm ơn đến gia đình. 8 Table of Figures. 13 List of Tables. 16 List of Publications .
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Phân tích failure localized trong cơ khí học" nghiên cứu về vấn đề gì?
Phân tíchLocalized failure trong cơ học nhiệt - ứng dụng cho thép, bê tông và bê tông chịu lực.
Luận án "Phân tích failure localized trong cơ khí học" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại École Normale Supérieure de Cachan. Năm bảo vệ: 2013.
Luận án "Phân tích failure localized trong cơ khí học" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Phân tích failure localized trong cơ khí học" thuộc chuyên ngành Cơ khí - Kỹ thuật Cơ khí - Kỹ thuật Xây dựng. Danh mục: Năng Lượng & Môi Trường.
Luận án "Phân tích failure localized trong cơ khí học" có bao nhiêu trang?
Luận án "Phân tích failure localized trong cơ khí học" có 157 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Phân tích failure localized trong cơ khí học" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.