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Etude et modélisation de la fissuration des couches de roulement des infrastructures de transport sous charges roulantes.

ABG-121666 Thesis topic
2024-04-04 Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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INSA Strasbourg
Strasbourg - Grand Est - France
Etude et modélisation de la fissuration des couches de roulement des infrastructures de transport sous charges roulantes.
  • Digital
  • Civil engineering, construction and public works
  • Materials science
modèles numériques, mécanique des structures, fissuration, bétons bitumineux

Topic description

Dans un contexte où les réseaux routiers vieillissent et où les moyens consacrés à l’entretien de ces réseaux sont en diminution, il est important de rechercher des solutions techniques de construction de plus en plus efficaces et durables. Actuellement, concernant les couches de roulement qui constituent les couches de surface des chaussées, il existe des spécifications concernant le frottement, la texture, la planéité, mais aucune norme ou méthode de conception ne permet de définir les caractéristiques mécaniques, garantissant la durée de vie des couches de surface qui supportent directement les charges du trafic. Les recherches actuelles dans ce domaine tentent de modéliser et de comprendre le lien entre les charges roulantes considérées comme des charges dynamiques et la dégradation observée dans les infrastructures routières.

 

Le sujet de thèse proposé rentre dans le cadre du projet ANR Binary [démarrer en avril 2020, sur 54 mois]. Le projet intègre des thèmes sur l’étude du comportement des matériaux et sur la durabilité des structures et répond principalement aux préoccupations de développement des solutions de construction, de maintenance et d'optimisation des matériaux et des technologies de rénovation à moindre coût et à haute performance. L’approche retenue dans le cadre des travaux de thèse proposés est basée sur l’utilisation des concepts des équations intégrales de Galerkin (3D) accélérés par la méthode multipôle rapide en mécanique de la rupture. Les méthodes intégrales sont bien connues pour leur souplesse à définir des géométries complexes, spécialement celles des domaines tridimensionnels et pour la grande précision qui caractérise ses résultats dans la détermination des champs singuliers au voisinage de la fissure. Les environnements numériques, issus de travaux menés à INSA-ICUBE (Pham et al., 2012, Trinh et al., 2015 et A. Dansou et al., 2019) et basés sur ces méthodes de modélisation par éléments de frontière ont permis, à ce jour, de développer un outil numérique robuste de modélisation des structures de Génie Civil fortement endommagées.

Des configurations complexes de naissance et de propagation de fissures dans les infrastructures routières ont été étudiées avec succès et d’autres bien plus complexes restent à prendre en compte dans nos futurs travaux.

Il s’agit d’étudier des problématiques liées à l’intersection de grands réseaux (3D) de fissures en propagation ou de réseaux de fissures qui évoluent le long des interfaces des couches des infrastructures routières. Aussi, un des verrous scientifiques qui doit être levé dans le cadre de cette thèse est l’intégration dans le traitement par le code, des perturbations induites par la présence d’hétérogénéités sur la concentration des champs de contraintes pouvant ainsi accélérer l’endommagement et la rupture dans le matériau. Une attention particulière sera apportée à l’étude des réseaux de fissures propageant dans un milieu fortement hétérogène à différentes rigidités sous efforts provenant des charges de roulement en surface pour prévoir les trajectoires de propagation. Les travaux de thèse s’appuieront essentiellement sur des adaptations et des extensions théoriques de la méthode des équations intégrales, accélérées par la méthode multipôles rapide, à l’élastodynamique et sur un important travail de programmation numérique avec l’objectif premier, le développement des environnements numériques existants en FORTRAN 2008. Cet outil numérique contribuera efficacement à prédire la dégradation des infrastructures routières et à la mise en place des solutions de renforcement les plus efficaces.

 

Pertinence et objectifs de la thèse

 

Dans le cadre du projet Binary, les travaux de thèse porteront sur un important travail de développement théorique et numérique pour l’interprétation des essais en laboratoire et la modélisation du comportement in situ des couches de roulement.

 

Le modèle aux éléments de frontière MBEMV3.0, qui a connu des développements (thèse d’Anicet Dansou, soutenue le 21 novembre 2019) pour traiter efficacement des zones à fortes concentrations de contraintes telles que les fissures en propagation et des zones à fortes dispersions en hétérogénéités, sera appelé à connaître, lors de ces travaux de thèse, des évolutions et des développements pour modéliser les enrobés bitumineux.  Ces extensions, qui ont pour objectif la prise en compte de la propagation de réseaux de fissures dans une matrice contenant des inclusions rigides (grains), va nécessiter un important travail théorique, préalable avant toute mise en œuvre numérique. Le traitement théorique consiste à régulariser les intégrales quasi-singulières, qui sont propres aux équations intégrales. La quasi-singularité de ces intégrales est rencontrée lorsque les inclusions et de fissures sont très rapprochées. Pour rappel, les équations intégrales constituent les fondements théoriques des éléments de frontière.  Le modèle numérique sera validé par la suite en nous basant sur des essais de laboratoire menés à la rupture en statique (traction, cisaillement) ou en fatigue (flexion 2 points) et en respectant les propriétés mécaniques et géométriques mesurées en laboratoire (taux de vides, nombre de particules).

 

Viendra, par la suite, l’étape qui consiste à s’appuyer sur des essais de suivi de roues conduisant à une description réaliste de la pression de contact, le comportement des couches de roulement sous l’effet de roulement libre (essai de suivi de roue) et/ou de freinage / accélération (essai T2R). Ces derniers seront simulés avec le modèle numérique mis en œuvre dans le code MBEMv3.0.

Afin d’étudier la réponse des structures de chaussées aux charges mobiles considérées comme des sollicitations dynamiques, les environnements numériques actuels du code MBEMv3.0, sont appelés à connaitre d’importants développements. 

Actuellement, les bases théoriques qui caractérisent le code MBEMv3.0 décrivent des domaines en élastostaticité et en mécanique de la rupture 3D uniquement. Or la prise en compte du caractère mobile de la charge nécessite d’importants développements théoriques et numériques pour inclure le caractère dynamique des charges et prédire les réponses dynamiques des structures de chaussées. Les travaux de thèse ont pour finalité de doter l’équipe d’un outil de modélisation des plus puissants et des plus réalistes pour simuler le comportement des structures de chaussées sous charges mobiles.

Les résultats de la modélisation seront comparés aux résultats des essais grandeur nature et conduiront à la définition d'un critère d'agressivité en ce qui concerne la performance de ces matériaux sous charges de fatigue et la résistance à l’arrachement.

 

Principaux résultats escomptés :

 

  • Une meilleure définition d'un critère d'agressivité pour les couches de roulement, lié aux caractéristiques des matériaux (granulométrie, forme des particules), aux performances du liant et aux épaisseurs de couche, mais aussi aux conditions de contact pneu/chaussée et aux conditions de charge : roulement libre, rupture/accélération et leurs conséquences sur la durée de vie nominale de la couche de roulement.

 

  • Une meilleure modélisation du comportement de l'interface et de son influence sur la conception de l'ensemble de la chaussée.

 

  • Publications scientifiques des résultats obtenus, y compris des recommandations pour la mise en œuvre de nouveaux critères de conception des couches de roulement dans les méthodes de conception des chaussées.

 

Méthodologie et techniques mises en œuvre

Dans un premier temps et dans le cadre des travaux de thèse proposés, nous sommes appelés à proposer des développements aux modèles numériques existants afin d’étudier des problématiques liées à l’intersection de grands réseaux (3D) de fissures en propagation, de réseaux de fissures qui évoluent le long des interfaces des couches des infrastructures routières et des fissures qui débouchent à la surface. Des algorithmes plus pertinents de prise en compte de lois d’interfaces seront mis en œuvre numériquement. La propagation doit également concerner des réseaux de fissures traversant les interfaces parcourant ainsi des milieux à caractéristiques matérielles différentes. L’adaptation de l’outil à l’étude des enrobés bitumineux fortement fissurés reste la préoccupation majeure de cette phase d’étude.  Il est évident, que les travaux de parallélisation du code, déjà entrepris lors des travaux de thèse d’Anicet Dansou et qui ont conduit à une optimisation de la phase de calculs, peuvent être étendus à d’autres procédures considérées comme chronophages et pénalisantes en temps de calculs.  Les résultats numériques obtenus seront confrontés aux résultats obtenus des essais de structures en laboratoires et des essais de structures à échelle 1, menés au sein de l’université Gustave Eiffel de Nantes.

 

La seconde phase importante des travaux de thèse, sera dédiée à l’extension du code existant pour la modélisation des domaines élastodynamiques. Dans ce cadre, la reformulation des équations intégrales en élastodynamique doit être considérée. La méthode multipôle rapide (couplée aux équations intégrales) a permis, grâce à un judicieux couplage avec les équations intégrales, d’accélérer la méthode des éléments de frontière pour une modélisation performante des structures à très grandes tailles. La méthode multipôle doit être également reformulée théoriquement pour étudier les domaines dynamiques. Cette phase importante d’un travail analytique et théorique sera suivie d’une mise en œuvre numérique en adaptant les environnements existants (FORTRAN 2008).

 

La dernière étape nous permettra de confronter nos résultats issus des nouveaux environnements du code MBEMv3.0 aux expériences obtenues sur structures de chaussées à l’échelle 1 sous charges roulantes. 

 

Références

 Anicet Dansou, Saïda Mouhoubi, Cyrille Chazallon, Marc Bonnet, Modeling multicrack propagation by the fast multipole symmetric Galerkin BEM, Engineering Analysis with Boundary Elements, Volume 106, September 2019, Pages 309-319, https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2019.05.019

Q. T. Trinh, S. Mouhoubi, C. Chazallon, M. Bonnet, “Multizone and Multicrack media modelled with the Fast Multipole Method applied to Symmetric Galerkin Boundary Element Method”, Engineering Analysis with Boundary Elements, Volume 50, January 2015, Pages 486-495

A.D. Pham, S. Mouhoubi, M. Bonnet, C. Chazallon, “Fast Multipole Method applied to 3D fracture elasticity problems”, Engineering Analysis with Boundary Elements. (Elsevier), 36, 12, 1838-1847, 2012.)

 

Starting date

2024-10-01

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

2074 € brut/mois, contrat de 36 mois de l'école doctorale.

Presentation of host institution and host laboratory

INSA Strasbourg

Les travax de recherche se dérouleront à l'INSA de Strasbourg au 24 boulevard de la Victoire dans le laboratoire ICUBE (UMR 5773).

http://icube.unistra.fr/

 

L’INSA Strasbourg est un établissement public à caractère scientifique culturel et professionnel (EPSCP). L’école, dont les origines remontent à 1875, a rejoint le Groupe INSA en 2003.

Grande école d’ingénieurs et école d’architecture sous la tutelle du ministère de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation, ses formations d’ingénieurs sont accréditées par la commission des titres d’ingénieur, celle d’architecte est accréditée par la commission culturelle, scientifique et technique du ministère de la Culture.

L’INSA Strasbourg accueille environ 2 000 étudiants dans ses locaux, sur le campus universitaire de l’esplanade, à deux pas du centre ville, au cœur de la capitale européenne.

 

PhD title

Docteur de Mécanique, spécialité Génie Civil

Country where you obtained your PhD

France

Institution awarding doctoral degree

Université de Strasbourg

Graduate school

Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur

Candidate's profile

Nous recherchons un candidat ayant de très bonnes bases en méthodes numériques et mathématiques appliquées.

La majeure partie de la thèse repose sur le développement des méthodes aux éléments de frontière appliquées à la problématique de la fissuration des ouvrages.

Diplômé d’une formation de niveau master dans les domaines de la mécanique numérique ou du génie civil, il possède une forte appétence pour la programmation et l’expérimentation.

 

2024-05-23
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