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  1. 1. 83 Essais de fatigue sur éprouvettes entaillées 4 ESSAIS DE FATIGUE SUR EPROUVETTES ENTAILLEES 4.1 INTRODUCTION Afin d'étudier l'influence du collage de lamelles en fibres de carbone précontraintes sur la propagation de fissures de fatigue dans des éléments en acier, des essais de fatigue sur des plaques en acier avec entaille centrale ont été effectués. Les objectifs de ces essais sont les suivants: • étudier l'influence sur le taux de propagation de la fissure de paramètres tels que la rigidité et le niveau de précontrainte des lamelles en fibres de carbone ainsi que la résistance de l'adhésif, • étudier les phénomènes de décollement entre la plaque d'acier et la lamelle de renfort au front de fissure, • étudier l'introduction de la précontrainte et vérifier la résistance de la connexion acier-CFRP dans la zone d'ancrage de la lamelle soumise aux charges cycliques, • fournir des valeurs expérimentales pour la validation du modèle analytique de propagation proposé dans le chapitre 6. Le type d'éprouvette employée, les différents paramètres étudiés ainsi que le type de mesures effectuées sont décrits dans le paragraphe 4.2. Le choix des adhésifs époxydes utilisés dans cette étude a été effectué sur la base d'essais préliminaires présentés au paragraphe 4.3. La méthode utilisée pour renforcer les plaques avec lamelles précontraintes est brièvement décrite au paragraphe 4.4. Enfin, les résultats des essais sont présentés au paragraphe 4.5 et discutés au paragraphe 4.6. 4.2 DESCRIPTION DES ESSAIS 4.2.1 Eprouvettes Les essais de fatigue ont été réalisés sur des plaques avec entaille centrale, donc de géométrie simple, permettant de comparer les taux de propagation mesurés avec les valeurs d'un cas bien connu de la mécanique de la rupture (fissure émanant d'un trou de rivet au centre d'une plaque). Des éprouvettes réalisées à partir d'assemblages rivetés, prélevés de structures en service ou en démantèlement, n'auraient pas garanti une uniformité de géométrie, sans parler de la variabilité dans la précontrainte des rivets, qui est indispensable pour une comparaison indépendante des différents paramètres d'essais. Les éprouvettes se composent d'une plaque d'acier Fe E 235-C de 10 mm d'épaisseur renforcée sur les deux faces avec deux lamelles en fibres de carbone (figure 4.1). Les fissures sont amorcées par une entaille au centre de la plaque, se composant d'un trou de 20 mm de diamètre et deux entailles initiales de 5 mm pratiquées par électroérosion (figure 4.1 - Détail B). La largeur des entailles n'est que de 0.1 mm et permet de pratiquement annuler la phase d'amorçage de la fissure de fatigue. La longueur des plaques (l '000 mm) a été choisie de façon à éloigner suffisamment les sections d'introduction des charges (mors de la machine d'essai) des zones d'ancrage des lamelles et de la région influencée par la propagation de la fissure. La longueur des lamelles, 500 mm, permet également une bonne diffusion de l'effort de précontrainte introduit par les lamelles en fibres de carbone et assure ainsi une répartition uniforme des contraintes au niveau de la section fissurée. Pour les charges imposées lors de l'essai de fatigue, la largeur de l'éprouvette de 300 mm permet à la fissure de se propager au delà des bords extérieurs des lamelles de renfort avant que ne se produise la rupture de l'éprouvette par plastification de la section nette. Les dimensions de l'entaille (trou de 20 mm de diamètre avec fissures initiales de 5 mm) ainsi que la largeur (300 mm) et l'épaisseur de la Thèse EPFL 2440
  2. 2. 84 Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés par fatigue plaque d'acier (10 mm) sont représentatifs du diamètre des trous de rivets, de la taille d'une fissure non-détectable et des dimensions des tôles qui composent les éléments rivetés. Détail B: entaille fissure traversante (0.1 mm) r----·····-·-----·---·---------------·l ! o o l{) 1 i ! 1 o i l{) CI i J L ao 1 1 o l{) CI Lamelles CFRP 75 75 emplacement des .---+--+- mors de serrage _., r'- a a 150 150 ~ ====I=t=~ Figure 4.1 - Plaque avec entaille centrale renforcée avec lamelles CFRP La nuance d'acier (Fe E 235) a été choisie de façon à s'approcher le plus possible des caractéristiques mécaniques des aciers utilisés par le passé pour la réalisation de ponts rivetés (fer puddlé, acier doux). Toutes les plaques utilisées pour la réalisation des éprouvettes ont été découpées dans la même tôle de 6 x 2 fi, tôle ayant une limite d'élasticité certifiée par le fournisseur de 292 MPa. La composition chimique de l'acier établie par le fournisseur est donnée dans le tableau 2.27. Les essais ont tous été effectués sur la même machine servohydraulique à quatre colonnes d'une capacité dynamique de ±800 kN (figure 4.2). Les plaques d'acier ont été renforcées en utilisant des lamelles en fibres de carbone de différentes épaisseurs et modules d'élasticité (voir paragraphe 4.2.2). Les valeurs nominales de la section des lamelles en fibres de carbone et le pourcentage de la section de renforcement par rapport à la section équivalente de l'éprouvette (taux de renforcement) sont résumés dans le tableau 4.3. Thèse EPFL 2440
  3. 3. 85 fit- !flt/gm' fIIr {'l'nll/l'l'fI('1 l'Iffml1l'{'f f{ffll Figurf' 4,1 • Dn/}(I)I,ij(J't'HUI: 1(/ J 1lit' frmllule. (hl l'lit' fcllrm/t' L'oxycoupage el Ic!'o l,.'Ontrnnues rc..iduellc.. rJéjà préscflIC dnn!'o 1.1 161c d'un~llIe Clnl prtKIUlI une Icgerc c urburc dun~ le ..cnquot; lon~lIudlnJI de lquot;o,=e dc.. plaque'> d'acicr Cjuc;quoa 6 mlll d'ccun IllCSUft' JU ccntre dc reproUl';llcl. qUI s'cquot;t ré-eit: être B!oSCI prot'llclll.'llillUC ..unoui lu.... dc rupplicalion de.. lamelle.; précontminh~quot;, W c.:on~'qucnce~ dc!'. lInpcrfectloquot;quot;, ~,quot;'OI1lêlnque Will uné c.:cnallle dlquot;JlCrsion de III prec:ontr:untc dan~ le.. plaque'> d'aclcr 1ligure ~.1 l 'am~1 qu'un ecan c.:on..,dérnblc des l:OOlr.untee, mcsufCCS sur lequot; deu fuee.. dc rcprollCnC (Jll'>qU'U (lX MP~ ..olt +lrr dc ln clIntflllOlC Irta:inl.lle u... 1. Le.. pluque.. lI'ncier aumient pu être redrcs..ces nlin d'éilcr lIne OlIiciulllUn par un I1lmncnt de llcion ..ou~ reth.ln de Ir.Il.:tl(>n el rac.:ililcr lquot;lprlu:allon de.. lame.lle en fibre de c.:arhonc_ Celle solullon 0 pounant cie L't'anee alin d'évuer une plu:.uficiJtlUIl partielle de 1:, 1..quot;t;lItlll d'acier l1CCe....~aln: mur le redre~, menl dequot; pla(ltle~ ~l qUI DunUI lIlnuenc.:c COIl.'>ldêmblemclll la propag:lIIOn lie..'> Ii~~u~ dc fallguc. Apre.. :lVOlr écarte le~ lroio; piel.:e~ plu tlurbe, le chul' dc!t rIlUIUC~ ullhsee.s pour le'! difrérentes SCrte.. d'c~s:lIquot; a elé prJllquemcm nlt.mltre, .J.3 - St'U;OIl deI df' t'orbrlllf' /Oll/Cl/Cf CIlJihr{'( el ruu, dt, rel/forct'l1It l lquot; '[lib/CClii A E Il Tllu:. de rCillorcclllclI1 t r 101quot;1 lmm 1 Imml Eprou t:IIC~ A.'E, /(II,E+A ) [mm 1 quot; , '(l(J() A () 1.: 6.2(,.. Il, ,D, F J '000 2-10 174 2KO J '000 lA 7,1(quot;quot; 174 E a ,'()()(I 280 116 8.8 14 r ,_ ep:lI'iscurquot; mmalc dc... larnclles MXtion 1''1131e nominale de quatre lamelles en fibrc!t de carbone A... E.. module d' C1u.-.liçIlC de.. lamelle.. ' ....oleur mo}cnnc dc quatre l..-c.:hanLillon1 ~Iion bnlle de IJ pluque d'ucier A E.. module d'élasllClll: dc l'ucler (110 01'3) [PH 1440 nlt'ft'
  4. 4. 86 Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés par fatigue 4.2.2 Plan des essais Le but premier des essais consiste à vérifier l'influence sur le taux de propagation des paramètres suivants: • niveau de précontrainte de la lamelle CFRP • module d'élasticité de la lamelle CFRP • épaisseur de la lamelle CFRP • caractéristiques mécaniques de l'adhésif • rapport des charges appliquées RF =Fmin/Fmax Ceci a été atteint en réalisant sept séries d'essais (tableau 404), comprenant chacune trois éprouvettes identiques, à l'exception des séries B et G avec deux éprouvettes seulement (à cause de problèmes lors du collage d'une éprouvette). Des courbes de propagation de référence ont été obtenues avec une première série d'éprouvettes non renforcées (série A). Cinq séries d'essais (B, D, E, F et G) ont été réalisées sur des plaques renforcées avec des lamelles en fibres de carbone précontraintes et une série (C) avec des lamelles non précontraintes. L'influence du module d'élasticité et de l'épaisseur des lamelles a été étudiée en employant deux types de composites avec des modules E différents: Sika®CarboDur S et Sika®CarboDur M (voir aussi tableau 304) et des lamelles d'épaisseur nominale de 1.2 mm (Sika®CarboDur S512) et lA mm (Sika®CarboDur S614 et Sika®CarboDur M614). La variation des caractéristiques mécaniques de l'adhésif a été obtenue en employant un adhésif époxyde bicomposant (Scotch Weld DP490) et un film adhésif époxyde (Scotch Weld AF163-2L WT.03). Les raisons de ce choix et les caractéristiques mécaniques des adhésifs sont décrites plus en détail au paragraphe 4.3. Le plan des essais est résumé dans le tableau 404. Tableau 4.4 - Plan des essais F N° Paramètre étudié Adhésif RF Fm;quot; cyquot;,p E'am t'alll 'finIquot; [kN] [GPa] [kN] [MPa] [mm] [-] Série épr. - - - - 004 400 160 A 3 acier seul = a;quot;iJ/a;quot;ax 0.1 174 27 -47 1.2 SWDP490 267 2 B rapport R 004 174 400 160 C effet de la précontrainte 1.2 SWDP490 3 0 004 174 160 D -47 1.2 SWDP490 400 3 série de référence 004 174 400 160 épaisseur lamelle -47 lA SWDP490 3 E 004 174 400 160 F adhésif -47 1.2 SW AF 163 3 004 216 400 160 module E lamelle -47 lA SWDP490 G 2 valeur nominale de la contrainte de compression dans la plaque d'acier produite par la précontrainte des lamelles en fibres de carbone charge maximale et minimale appliquée pendant l'essai de fatigue Fmaquot; Fmin RF =Fmin/Fmm' rapport des charges appliquées 4.2.3 Paramètres d'essai Les essais de fatigue ont été effectués avec une charge sinusoïdale à amplitude constante. Toutes les éprouvettes ont été sollicitées avec la même amplitude de charge !'!..F de 240 kN, produisant une étendue de contraintes dans la section brute de l'éprouvette non renforcée !'!..Oquot;a de 80 MPa. La valeur des charges minimale et maximale du cycle a été déterminée de façon à obtenir, avec la superposition Thèse EPFL 2440
  5. 5. 87 Essais de fatigue sur éprouvettes entaillées des efforts produits par la précontrainte des lamelles, un cycle de contraintes dans la section d'acier constamment en traction (paragraphe 4.5, figure 4.22). Le rapport des charges RF = Fl11i,/Fl11ax nécessaire pour satisfaire cette condition est de 0.4 et représente un cas particulièrement défavorable pour l'apparition d'effets de fermeture de fissure (voir éq. 3.2). Dans la réalité, dans les éléments rivetés sollicités en flexion, il a été constaté que les rapports des charges sont proches de 0 car les valeurs du poids propre par rapport aux charges de trafic sont relativement faibles. Pour vérifier l'efficacité des lamelles précontraintes avec un rapport des contraintes plus proche de la réalité, une série d'essais (éprouvettes B2 et B3) a été effectuée avec un rapport des charges RF =Fl11i,/Fl11ax de 0.1. Dans ce cas, à cause de l'effet de la précontrainte, la fissure est sollicitée en compression pendant une partie du cycle (figure 4.22). Les paramètres d'essai de chaque série ainsi que les rapports des contraintes dans la section d'acier sont résumés dans le tableau 4.5. Tableau 4.5 - Paramètres d'essai Valeurs nominales des contraintes Paramètres d'essai R f P RF f...F F min f...Oquot;a F l11ax Oquot;a,P (Ja.max Oquot;a,mill [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [Hz] [-] Série épr.N° [kN] [-] [kN] [kN] [kN] - - 0.40 1 240 4.8 133.3 53.3 400 160 0.4 80.0 A 2,3 6.0 -1.06 2,3 -47.0 -38.6 36.5 240 0.1 141 4.8 B 267 27 75.0 ._- A 1'1' 1,2,3 0.40 4.8 75.0 0 125.0 50.0 C .4 0 : 1,2,3 0.04 D 240 141 4.8 -47.0 78.0 3.0 0.4 75.0 400 160 74.3 -47.0 2.5 0.03 1 400 160 240 0.4 141 4.8 76.8 E 2,3 7.0 1,2,3 -47.0 3.0 0.04 400 160 240 0.4 141 4.8 75.0 78.0 F 2,3 0.02 240 141 4.8 -47.0 74.7 1.7 400 160 0.4 73.0 G f fréquence étendue des contraintes dans la section brute en acier de l'éprouvette f...Oquot;a contrainte de compression dans la plaque d'acier produite par la précontrainte des lamelles Oquot;a,P en fibres de carbone contrainte maximale dans la section brute de l'éprouvette Oquot;a,l11ax contrainte minimale dans la section brute de l'éprouvette Oquot;a,l11in P valeur nominale de la précontrainte appliquée par les 4 lamelles de renfort RF =Fl11in/Fl11ax : rapport des charges R = Oquot;a,l11in/Oquot;a,lI1ax: rapport des contraintes La fréquence de chargement, initialement prévue à 6.0 Hz, a souvent dû être réduite à 4.8 Hz. Cette réduction a été imposée par l'installation d'une servo-valve hydraulique de capacité réduite, qui a permis de limiter les vibrations de la machine d'essais et a assuré le bon déroulement des mesures optiques de déplacements (interférométrie Spekle, voir paragraphe 4.2.4). Les résultats de la première série d'essais (série A: éprouvettes non renforcées) montrent que cette faible variation de la fréquence n'a aucune influence sur la propagation de la fissure dans la plaque d'acier. Des études effectuées sur des composites en fibres de carbone/époxy montrent que l'échauffement produit par les phénomènes d'hystérésis est très limité si les composites présentent un taux élevé de fibres et sont Thèse EPFL 2440
  6. 6. Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés par fatigue 88 sollicités dans le sens des fibres; aussi, lorsque la fréquence de chargement reste inférieure à 10 Hz, une faible variation de la fréquence n'a aucune influence sur le comportement à la fatigue des composites [Curtis 1989]. 4.2.4 Mesures effectuées Mesures des contraintes La répartition des contraintes dans la plaque d'acier a été vérifiée à différents endroits à l'aide de jauges d'extensométrie placées sur les deux faces de la plaque d'acier (figure 4.6). Ces jauges ont également été employées pour contrôler l'effort de compression produit par la précontrainte des lamelles lors de la réalisation des éprouvettes sur le banc de précontrainte (paragraphe 4.4). Pour quatre éprouvettes (D2, D3, FI, G2), l'essai de fatigue a été suspendu avant d'atteindre la rupture complète de la section d'acier. Sur ces éprouvettes, des mesures périodiques des contraintes ont été effectuées après la fin de l'essai de fatigue, ceci afin d'étudier d'éventuelles pertes de précontrainte au cours du temps. /,...., Amplificateur de mesure avec filtre Générateur de courant alternatif Lamelles CFRP _..+ ..... .~. ..~~ ./'quot; ..... / 1 .......... i ....// ...~ j - 150 150 Figure 4.6 - Disposition des jauges d'extensométrie uniaxiales et schéma du système de mesure de chute de potentiel Thèse EPFL 2440
  7. 7. 89 Essais de fatigue sur éprouvettes entaillées Mesures de propagation La mesure de la propagation des fissures a été effectué en utilisant un système de mesure de chute de potentiel électrique, analogue à celui décrit par Dubois [1988] en courant continu, mais caractérisé par une source de courant alternatif, plus stable et plus précis que les systèmes à courant continu précédemment employés. Ce système exploite les variations locales du champ électrique dans l'éprouvette produites par l'avancement du front de fissure pour en déduire la courbe de propagation (relation a- N). Un champ électrique est introduit à travers l'éprouvette à l'aide de câbles blindés, fixés aux mors de la machine d'essai. Deux paires de fils, soudés par décharge électrique de part et d'autre de l'entaille (sur chaque lèvre de la fissure), permettent de mesurer les différences de potentiel électrique I1U] et I1U2 provoquées par l'avancement des deux fronts de la fissure (voir figure 4.6 et 4.7). Grâce à un étalonnage adéquat entre la différence de potentiel et la longueur de fissure, la relation entre la longueur de fissure et le nombre de cycles peut être établie. La différence de potentiel électrique est enregistrée de façon continue au cours de chaque essai de fatigue sur un traceur, ce qui permet d'obtenir la longueur de fissure en fonction du nombre de cycles. Une étude de la variation du potentiel électrique en fonction de l'avancement de la fissure, effectuée pour la géométrie de l'éprouvette et pour la disposition des quatre points de mesures de la différence de potentiel choisis (figure 4.7), a permis d'estimer l'influence de l'avancement du front de fissure al. respectivement a2, sur la mesure de la différence de potentiel I1U2, respectivement ùU] (annexe B). Avec la position rapprochée des points de mesure choisie, l'influence réciproque de l'avancement des deux fronts de la fissure sur les mesures de différence de potentiel électrique est relativement faible. Pour cette raison, chaque mesure de différence de potentiel a été considérée comme mesure indépendante et, pour chaque éprouvette, les demi-longueurs de la fissure a] et a2 obtenues à partir des valeurs !J.U] et !J.Ub sont représentées avec deux courbes de propagation distinctes. 1. ·1 Figure 4.7 - Disposition des points de mesure de la différence de potentiel électrique Le système de mesure de chute de potentiel électrique a été étalonné avec des mesures de longueur de fissure effectuées à l'aide d'un microscope sur les éprouvettes des séries A, C, ainsi que sur les éprouvettes D2 et D3. Des marquages des fissures à l'encre ont également été effectués sur les éprouvettes Al, A2, C3 et Dl. Ce type de marquage a pourtant été arrêté après avoir constaté une influence sur la propagation de la fissure lors de l'essai de l'éprouvette DL L'influence des marquages à l'encre sur le taux de propagation de la fissure a déjà été mise en évidence lors d'autres travaux de recherche [Verreman 1985]. La courbe d'étalonnage résultant de l'interpolation des 168 points obtenus par les mesures optiques et les marquages à l'encre est donnée à la figure 4.8. Il est important de noter que les mesures effectuées sur les éprouvettes non renforcées et sur celles renforcées avec lamelles en fibres de carbone se trouvent alignées sur la même courbe d'étalonnage. Les lamelles en fibres de carbone ne semblent donc pas influencer le champ électrique introduit dans la plaque d'acier. Thèse EPFL 2440
  8. 8. 90 Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés parfatigue La courbe d'interpolation est un polynôme d'ordre 4 (éq. 4.1) avec coefficient de corrélation r =0.996. Des calculs comparatifs effectués avec des polynômes d'ordre inférieur ont montré que la forme de la courbe d'étalonnage n'a qu'une faible influence sur la longueur de la fissure (annexe B). Pour une demi-longueur de fissure inférieure à 50 mm, la relation est en effet quasiment linéaire. La courbe d'interpolation est: a = 5.13 .10- 13 ~U4 - 3.37 .10-9 ~U3 + 7.50 .10-6 ~U 2 + 1.37 .10-2 ~U + 13.88 (4.1) demi-longueur de la fissure a ~U différence de potentiel électrique a [mm] 150 o éprouvettes non renforcées (A) 125 éprouvettes renforcées (C & D) .& - - polynôme (4.1) 100 75 ------------------------------------ 50 25 ~u [J.lV] O+-----,--_rquot;--_r__-~--_r_-__,r__-_rquot;--_r__-....,.--., o 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 500 Figure 4,8 - Etalonnage du système de mesures de profondeur de fissure a, par chute de potentiel ~U Dans la configuration utilisée, le système de mesure de chute du potentiel électrique permet de mesurer des potentiels jusqu'à 5000 J.lV. Une fois cette limite dépassée (a = 141 mm), les amplificateurs sont saturés et aucune variation de potentiel ne peut plus être enregistrée. La limite de linéarité des amplificateurs se situe autour de 3800 J.lV (a = 84 mm). La courbe d'étalonnage déterminée pour des longueurs de fissure supérieures à 84 mm est donc une relation de moindre qualité, influencée par la géométrie de l'éprouvette mais également par les caractéristiques du système de mesure. La dispersion des points de mesure observée pour des demi-longueurs de fissures supeneures à 75 mm est surtout liée aux phénomènes produits par les grands déplacements et les déformations de l'éprouvette. Le système de mesure de chute de potentiel est en effet extrêmement précis si la dimension de la fissure est relativement petite par rapport à la taille de l'éprouvette. Au contraire, pour des grandes fissures, le champ électrique est influencé par les déformations élastiques de l'éprouvette et la précision de la mesure est alors fortement compromise. Thèse EPFL 2440
  9. 9. 91 Essais de fatigue sur éprouvettes entaillées Mesure du champ de déplacements à la surface de l'éprouvette par interférométlJquot;ie speckle Des mesures des déplacements de la surface de l'éprouvette par interférométrie speckle ont été effectuées afin d'étudier les phénomènes de décollement entre la lamelle de renfort et la plaque d'acier dans la zone du front de propagation de la fissure. Ces mesures ont été réalisées en collaboration avec l'Institut de mesure et analyse des contraintes IMAC (Prof. Jacquot et Dr Facchini). Une description détaillée du système de mesure est donnée dans [Facchini 1999, 1999a, Bassetti 2001]. Les principes de cette technique de mesure sont brièvement résumés clans l'annexe D. Les résultats de ces mesures se sont révélés très utiles et quelques-uns sont donnés dans le paragraphe 4.5.3. 4.3 ESSAIS ACCESSOIRES 4.3.1 Caractéristiques mécaniques des adhésifs époxydes Choix des adhésifs Une première évaluation de différents adhésifs époxydes a été effectuée sur la base des résultats des études réalisées à l'EMPA sur des assemblages collés aluminium-CFRP [Knoblauch 1994, Weiler 1994]. L'étude comparative effectuée par Knoblauch sur quatre adhésifs structuraux disponibles dans le commerce (SW 2216B/A, SW 9323, SW DP460 et SW DP490) a mis en évidence la résistance élevée aux sollicitations statiques et à la fatigue de l'adhésif bi-composant Scotch Weld DP490. Cet adhésif présente également un bon comportement à haute température et une grande résistance aux agents agressifs. Un autre avantage de cet adhésif est le fait de durcir à température ambiante et de garantir une bonne résistance sans nécessiter une polymérisation à température élevée. Le deuxième type d'adhésif considéré dans la présente étude est un film adhésif (Scotch Weld AF163-2L WR.03) spécialement développé pour des assemblages composite-composite et composite- métal. Cet adhésif a été choisi surtout pour sa température de transition Tg élevée, soit lüsoC. En effet, les températures mesurées sur des ponts en acier exposés au soleil peuvent atteindre jusqu'à 57°C (pour une température de l'air à l'ombre de 3S°C) [Capps 1968, Emerson 1976]. Grâce à sa résistance extrêmement élevée et au bon comportement à haute température, ce type d'adhésif est donc particulièrement approprié pour les zones fortement sollicitées, comme par exemple la zone d'ancrage des lamelles précontraintes. Par rapport à une résine bi-composants, le désavantage principal du film adhésif est cependant la limitation de l'épaisseur du joint de collage. Les films adhésifs sont en effet particulièrement indiqués pour réaliser des joints de collage extrêmement minces (0.1 mm). Pour obtenir une bonne adhérence du joint, il faut donc que les surfaces à assembler soient planes et sans défauts. Dans le cas de la réparation et du renforcement d'anciens ponts rivetés, il faut intervenir sur des éléments en acier fabriqués avec des tolérances non négligeables, qui présentent des déformation locales et qui ont été exposés à l'action de la corrosion. Dans ces cas, l'emploi de résines est beaucoup plus indiqué et permet d'adapter l'épaisseur du joint de collage entre la lamelle de renfort et la surface d'acier et de compenser ainsi les défauts de planéité des éléments en acier. Pour cette raison, le film adhésif SW AF163 n'a été employé que pour la fixation des pièces d'ancrage nécessaires à la mise en précontrainte des lamelles en fibres de carbone, et non pour l'application de lamelles sur les éléments rivetés en vraie grandeur. Le film adhésif a cependant été employé pour réaliser une série de trois plaques avec entaille centrale (série F). Le but, dans ce cas, était de vérifier l'influence d'une résistance améliorée de l'adhésif sur l'efficacité du renforcement par lamelles en fibres de carbone. Thèse EPFL 2440
  10. 10. 92 Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés par fatigue Le troisième et dernier type d'adhésif considéré (SK4), mais uniquement dans la phase préliminaire de cette étude, est une résine époxyde avec des caractéristiques très proches de l'adhésif SW DP 490. Il s'agit d'un prototype qui n'est pas disponible dans le commerce. Les principales caractéristiques des différents adhésifs sont résumées dans le tableau 4.9. Tableau 4.9 - Adhésifs époxydes considérés dans la présente étude Scotch Weld Scotch Weld SK4 DP490 AF163-2L WT.03 Type résine bi-composants film adhésif résine bi-composants Fournisseur (non disp.) 3M 3M SsoC(I) IOsoC(2) 72°Cquot; Température de transition Tg Curel2 ) Temp. ambiante 1.5h 120°C Temp. ambiante (SOh 15°C-15h 35°C) T emps de traVaI - 10 jours (5 ) 1(1) 180 min. 40 min. - Temps de manipulation '4! 240 min. 70 min. valeur correspondant au maximum d'amortissement mesuré avec un pendule à torsion (DIN 53445) (1) (2) valeur donnée par le fournisseur (3) période, après le mélange des composants, pendant laquelle le joint de collage doit être assemblé (4) période pendant laquelle il est encore possible d'intervenir sur les pièces assemblées (5) les films adhésifs sont généralement stockés à basse température (-18°C), le temps de travail fait ici référence à la période pendant laquelle le film se trouve à température ambiante Résistance ultime d'assemblages acier-CFRP cisaillés Une première évaluation de la résistance statique et à la fatigue d'assemblages acier-CFRP réalisés avec les trois différents types d'adhésifs a été effectuée par des essais sur des assemblages de petites dimensions à recouvrement simple (figure 4.10). La géométrie des éprouvettes ainsi que les résultats détaillés de ces essais sont présentés dans l'annexe C. E~_,._quot;quot;._quot;,. l~.. 2 A =1 F .. ._._._ ....,_quot;quot;quot;,_,.,,_:h_ . ._. F '_'_f_' 1 ... C i===2t .11 f 2t 1. G, v 2L B quot;quot;---- E B Figure 4.10 - Joint à recouvrement simple Les valeurs moyennes des résistances obtenues avec les différents adhésifs sont résumées dans le tableau 4.11. Pour la géométrie utilisée du joint collé (non-symétrique), le film adhésif Scotch Weld AF163-2L WT.03 présente une résistance ultime et une résistance à la fatigue supérieures par rapport aux adhésifs bi-composants. La différence est remarquable surtout pour le comportement à la fatigue. La résistance ultime de tous les joints à recouvrement simple réalisés avec cet adhésif dépasse la valeur nominale de la résistance plastique de la section d'acier A a / v, Ceci est une preuve supplémentaire des résistances très élevées pouvant être atteintes par des joints acîer-CFRP collés. Il est également Thèse EPPL 2440
  11. 11. 93 Essais defatigue sur éprouvettes entaillées intéressant de constater que les deux resmes bi-composants SK4 et SW DP490, bien qu'elles présentent une résistance statique suffisamment élevée, montrent un comportement complètement différent si elles sont soumises à des charges cycliques. La faible résistance à la fatigue de l'adhésif SK4 pourrait être éventuellement expliquée par son module de cisaillement plus élevé, produisant des concentrations de contraintes plus importantes à l'extrémité de l'assemblage (voir paragraphe suivant). Un adhésif avec un module de cisaillement trop élevé peut, dans ce cas, nuire considérablement au comportement à la fatigue de l'assemblage. Tableau 4.11 - Résistance ultime et à lafatigue d'assemblages CFRP-acier à recouvrement simple (valeurs moyennes de 3 éprouvettes) Type d'adhésif Résistance ultime Nombre de cycles (ôF= 8kN) Fil [kN] Scotch Weld AF163-2L WT.03 25.9 1'675'000 Scotch Weld DP490 451 '300 20.5 SK4 15.6 36'500 Répartition des contraintes dans le joint à recouvrement simple La solution élastique des contraintes de cisaillement dans l'interface d'un joint collé à recouvrement simple (fig. 4.10), obtenue en négligeant les moments produits par l'excentricité de l'assemblage, est donnée par la relation (4.2) [Vidonne 1995]. 'm AL (Ch(Âx]) _ ch(ÂL) Ch(WX])) (4.2) sh(ÂL) _ Â ch(AL) sh(wL) ch(wL) llJ ch(wL) 2L longueur du joint 2e épaisseur de l'interface G module de cisaillement de l'interface v coefficient de Poisson de l'interface épaisseur de l'adhérent A, resp. B 2tA,B module d'élasticité de l'adhérent A, resp. B EA.B Pour une épaisseur de l'interface 2e nulle, l'équation (4.2) se réduit à: ,(x]) 'mAL ch(Âx) (4.3) sh(AL) 1 avec: Les équations (4.2) et (4.3) relatives à la répartition élastique des contraintes de cisaillement dans l'interface d'un joint à recouvrement simple permettent de faire les constatations suivantes, valables Thèse EPFL 2440
  12. 12. Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés par fatigue 94 également pour d'autres configurations de joints collés: • Une augmentation de la rigidité de l'interface a pour effet une augmentation de la concentration des contraintes à l'extrémité du joint: les contraintes de cisaillement dans l'adhésif deviennent plus élevées en augmentant le module de cisaillement de l'interface G ou en prolongeant la longueur du joint 2L. • La réduction de la rigidité des adhérents (tA,B·EA,B) résulte en une augmentation de la concentration de contraintes de cisaillement. • Les contraintes de cisaillement obtenues avec la solution élastique pour un état de cisaillement pur croissent lorsque l'épaisseur de l'interface 2e diminue. Cette dernière constatation n'est valable que si les moments secondaires produits par l'excentricité de l'assemblage sont entièrement négligés. En général, une augmentation de l'épaisseur de l'adhésif se conjugue avec une augmentation de l'excentricité, ce qui produit des contraintes de traction plus élevées dans le sens perpendiculaire au joint (selon Xl, figure 4.10) et réduit considérablement la résistance. La solution élastique de la distribution des contraintes de cisaillement (4.2) permet d'estimer l'influence de certains paramètres, mais elle n'est pas appropriée pour une évaluation quantitative de la résistance ultime de l'assemblage. A cause des fortes concentrations de contraintes, l'adhésif se plastifie et il y a redistribution des contraintes dans les zones d'extrémité de l'assemblage. La figure 4.12 présente la distribution des contraintes de cisaillement calculée par éléments finis dans l'adhésif d'une éprouvette sollicitée avec une charge proche de celle de rupture (20.5 kN). [MPa] T 120 • calcul linéaire-élastique 100 calcul élastique-plastique o 80 • 60 ,• • •• • 40 • 20 0 0 20 40 60 80 100 x [mm] =..; ;;; --quot;quot;quot;quot;quot;:quot;:Mf-(quot;quot;quot;ii:~::-;;;;;..;;;;;·;;;-:~>zil,~.·.·~.:zz. ====:zz:zz .. :: ;.g; . ; F- ... F m:::zJ! ?-x Figure 4.12 - Contraintes de cisaillement dans le joint de collage de l'assemblage acier-CFRP Les contraintes de cisaillement ont été calculées en admettant un comportement parfaitement élastique-plastique de l'adhésif (limite d'élasticité fixée à 35 MPa) et en considérant les moments secondaires produits par l'excentricité de l'assemblage. Les résultats des calculs montrent que pour une charge proche de la résistance ultime de l'assemblage, le transfert des efforts entre les deux adhérents a lieu dans une zone relativement limitée (20 mm) aux extrémités de l'assemblage, zone où Thèse EPFL 2440
  13. 13. 95 Essais de fatigue sur éprouvettes entaillées les concentrations des contraintes sont atténuées par la capacité de l'adhésif à supporter de grandes déformations et à se plastifier. Une augmentation de la longueur du joint collé ne résulte donc pas forcément en une augmentation de sa résistance. Au contraire, elle augmente la concentration des contraintes aux extrémités de l'assemblage (éq. 4.2). Les constatations effectuées pour le joint à recouvrement simple permettent de tirer les conclusions suivantes, valables également pour d'autres configurations de joints collés: • La répartition des contraintes de cisaillement et donc la résistance du joint dépend du rapport entre les rigidités de l'adhésif et des adhérents. • Une sollicitation excentrée de l'assemblage produit des contraintes de traction perpendiculaires au joint collé qui réduisent considérablement sa résistance. Pour atteindre une résistance optimale, il faut éviter les contraintes de traction et solliciter l'adhésif avec un état de contraintes le plus proche possible d'un état de cisaillement pur. Des efforts de compression appliqués perpendiculairement au sens du joint peuvent contribuer à augmenter considérablement la résistance au cisaillement de l'assemblage. • Afin d'atteindre une résistance élevée de l'assemblage collé, il faut que l'adhésif se plastifie sur une zone la plus longue possible afin d'avoir une bonne redistribution des contraintes. La caractéristique la plus importante de l'adhésif est donc sa ductilité, i.e. sa capacité à supporter de grandes déformations avant la rupture. Les essais réalisés avec des joints collés avec recouvrement simple sont particulièrement utiles pour comparer différents types d'adhésifs et, grâce à leur simplicité de réalisation, sont souvent utilisés pour des contrôles de qualité [ASTM 1996 - D 5868-95, D 3165-95, D 3166-93; ISO 9664 1995]. La sollicitation de l'adhésif étant fortement influencée par la géométrie et les propriétés des adhérents ainsi que par les efforts de traction perpendiculaires [ASTM 1996 - D 4896-95], les résultats de ces essais ne peuvent pourtant pas être employés pour déterminer les caractéristiques mécaniques et la résistance effective au cisaillement pur de l'adhésif. Le dimensionnement de joints collés avec une géométrie autre que celle du joint à recouvrement simple ne peut être effectué que par des calculs qui tiennent compte du comportement non-linéaire de l'adhésif. Par conséquent, il est indispensable de connaître la courbe contrainte-déformation spécifique ( T-Y ou (5-5) caractéristique de l'adhésif. Diagrammes contrainte-déformation des adhésifs époxydes Les essais réalisés sur des joints à recouvrement simple ou double ne permettent pas de déterminer les caractéristiques mécaniques de l'adhésif, car les contraintes ne sont pas uniformes et le joint n'est pas soumis à un état de cisaillement pur (figure 4.12). Une possibilité pour déterminer la courbe contrainte-déformation caractéristique de l'adhésif consiste à effectuer des essais de torsion sur des joints de tubes collés bout à bout (figure 4.13 : Napkin-ring test, [ASTM 1996 - E 229-92]). Avec cette configuration d'essai, l'adhésif est soumis à un état de cisaillement uniforme sur toute la circonférence du tube. La courbe contrainte-déformation spécifique (T-r) peut être déterminée à partir des valeurs du moment de torsion T et du déplacement v mesurés, en appliquant les relations (4.6) et (4.7). Thèse EPFL 2440
  14. 14. 96 Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés par fatigue '02J[ 1rrdA ff r2r (r) drdr/J (4.4) T= = 'i 0 Avec une répartition des contraintes de cisaillement dans l'épaisseur du tube linéaire: r( r) = !..E..- r , on obtient: ra (4.5) La contrainte de cisaillement à la circonférence moyenne du 1 tube est obtenue de (4.5) avec r - 'i + ra . 1 _----;---_ i 2 )., - - ---~--::--::::.-l quot;'''.1 , ) / (4.6) Le glissement est obtenu par la relation: v Figure 4.13 - Napkin-ring test ad r=- (4.7) e T moment de torsion appliqué rayon interne, resp. externe du tube ri,o r contrainte de cisaillement r glissement déplacement mesuré sur l'éprouvette v déformation mesurée de l'adhésif Vad e épaisseur de l'adhésif Les principales difficultés de ce type d'essai sont liées à la mesure du déplacement v et au contrôle de l'épaisseur de l'adhésif. Pour cette raison, les courbes contrainte-déformation des deux adhésifs époxydes employés dans la présente étude (SW DP490 et SW AF163) ont été établies par des essais effectués à l'EMPA, avec l'instrumentation décrite par Deuring [1993] et spécialement conçue pour la détermination des caractéristiques mécaniques d'adhésifs époxydes [Kuhnert 1987, Fischer 1989]. Pour les dimensions de l'éprouvette employée (ri = 30.3 mm, ra = 35.2 mm), la variation de la contrainte de cisaillement élastique aux bords du tube n'est que de 7% par rapport à la contrainte de cisaillement moyenne calculée avec (4.6) et peut donc être négligée. Les éprouvettes ont été réalisées avec des tubes en alliage d'aluminium AnticorodallOO (figure 4.14). Pour garantir une épaisseur du joint de collage constante, la partie interne des surfaces de collage a été travaillée sur un tour de façon à laisser un espace libre de 0.1 mm d'épaisseur. La partie restante, laissée en place pour créer l'épaisseur prédéfinie du joint collé, a été enlevée seulement après le collage, avant de réaliser les essais (figure 4.14). Les surfaces ont été préparées avec un sablage de précision et dégraissées avec de l'acétone avant le collage. Thèse EPFL 2440
  15. 15. 97 EHlIi.f tir (litigl/l'fllr rt'rmll'ettrs CIIltii/lü,f a/mlf/Ilium t:quot;,plmü pour l'essQl dt rorsiOll Figure .J./.J .. EprolH'clte tll fKquot;/,,,~n 1987. Fisc:1lu I%quot;J} Le.. cou~ moycnne.. obtenue.. noc une séne de cintl eproucuc poUT chaque Ir~ .radhésif 'rolll . rcprCCntee!l dan~ le diagramme de la Iizure ·US. Le~ coume, mll)cnnc~ r-;l'onl cie conquot;enÎcs dans 13 rorme éqUlquot;alente quot;,quot;c l figure ·U6) en npplJquant le critcre de on MI~e'i H.SI el en admettant un coefficient de Po,quot;son quot;de 0.3~ [Hancox 19941. afin d·être emplo)Cc' dan.. le mudèlequot; Humeriques lchapllre 51. J3 r 1~.9) pour un étal de c:isnillemenl pur; c cr r [MPa) 50 1 ~5 1 ? 25 20 15 - SW AF163 (I..5h 120 CL 10 5 DP~90 - - SW (2h 65 Cl r (-) o 0.5 00 l.O '0 1.0 1.5 Figure .J.15 .. COllrbes mo'emlt?s rolllroinre dtquot; cisaillemequot;,·.~lissement spécifique ditenllillées e.'pblmemalemem
  16. 16. 98 Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés par fatigue [MPa] (J 70 .--- 60 ~ quot;quot;quot;quot;'quot; ----- 50 quot;quot;..- ----- --- / 40 I~ 30 V 20 - SW AFl63 (1.5h 120°C) 10 - SW DP490 (2h 65°C) o E [-] 1 2.0 2.5 0.0 1.0 1.5 0.5 3.0 Figure 4.16 - Courbes moyennes contrainte-déformation spécifique obtenues en appliquant le critère de von Mises 4.3.2 Contraintes résiduelles dans les plaques en acier Les plaques en acier utilisées pour les essais de fatigue ont été oxycoupées et les surfaces grenaillées avant d'appliquer les lamelles en fibres de carbone. Ces opérations produisent des contraintes résiduelles capables d'influencer considérablement la propagation des fissures de fatigue. Des mesures des contraintes résiduelles ont été effectuées par la technique dite de sectionnement [Tebedge 1973] sur la partie supérieure et inférieure de l'une des plaques non testées à la fatigue (figure 4.17). Les contraintes résiduelles mesurées au centre de la plaque, dans la zone de propagation de la fissure, sont très faibles (environ -3 MPa) et peuvent être négligées. Les contraintes résiduelles mesurées dans la plaque oxycoupée peuvent donc être considérées comme représentatives de celles présentes dans les plaques composant les éléments rivetés, comme par exemple dans les semelles de renfort rivetées. [MPa] CT,es 30 25 0 20 0 'quot; 15 10 5 0 0 0 'quot; -5 -10 x [mm] r -15 x 0 150 50 100 200 250 300 300 Figure 4.17 - Contraintes résiduelles dans la plaque en acier: (a) plan de sectionnement; (b) valeurs moyennes des contraintes résiduelles mesurées dans la partie inférieure et supérieure de l'éprouvette Thèse EPFL 2440
  17. 17. 99 4.4 REALISATION DES EPROUVETIES quot;quot;C( d~ lamclle~ en fïbl'e3 de CGrb<.'ne prce,;OI1lr.:unle, onl cte rc.'Jhq,-e ..ur Le.. eflroUclt~ rt:nfon:cc:'lo pour eue lâche (figure quot;.1 1. un ').1quot;,,: de prtquot;:OnlnUnlC flCÇI31cmcnI conçu Figur~ J'aquot;cmR~ Ill'f JamdJ~j 4./8 . (lIJ &mt· lk pfVC'(}quot;,mmlC : lb} Dewil du fJU'ItIt: U= IJtn.. eprOllclte de ..hBqUC ~ric ont été reaiLCC lmultllllCmtnl de manlcœ a {!ar.mllr une préconulIlOle u.lenuque (lU CJ'lroucll~ d'une même ~ne. en ulihil.nl quatre lamelle en fit'lre~ ~ L-arnoI1f: de .tb nt tk longueur. Ch3que r~lIre de lamellcl; aprhquce rar (ace de prou'ie:ne J clé nu~ en lcn ion ~parc:menl par un cnll rince il chaque c~lremile du banc de prttOnlnlllltc Le I,;(lnlrôle de lu préc.:olllrmnte :l c=té dlf!'ClUC à raide d~ jauges d'extcn,ol1tetnc pluu.~ ur le.. lamelle el de capteurquot; de force Ih6 au'( quot;~nn~, L'lOtroducllon de la (ort'C' de précomr.ume danquot;, 1;1 Imoelle :1 ctc a!'l'iun.quot;C par de!> :lIUILhe. formce... de dcu). fer;-rJ:lIs en acier C(1IJC aull, c~lrenllles de.. lamelle!. 1rilure: 418hcI4IQ). • Fers plats 30 30 50 20 50 5 4 230 --4 FigM~ 4./9 . PU'Ct' tftltlad'tquot; POUT III misC' c'quot; prccomroù'tlquot; dC$ 't,mdl,'quot; La lonne de rn~semblu1tc. n'l:L une épai;scur dl...'croi.s~mle de.. fcrs plnt~ cr. leur c'l:lrémllé el une Iimllc d'élnsucllc de racler reltillve.meni ha.~se. fn'orbe la pla~llflcallon partielle de I·ucier. 711h..- Fflf J 2440
  18. 18. 100 Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés par fatigue permettant ainsi une redistribution des contraintes dans l'adhésif sur une zone plus longue. Des essais de traction effectués sur un total de S éléments ont montré que ce type d'assemblage, réalisé avec des lamelles Sika®CarboDur S512 de 1.2 mm d'épaisseur et de l'adhésif SW DP490, présente une résistance moyenne aux efforts de traction de 71 kN, ce qui correspond à des contraintes de traction d'environ 1'200 MPa dans la lamelle en fibres de carbone. Toutes les plaques d'acier, y compris celles non renforcées avec des lamelles en fibres de carbone (série A), ont été grenaillées et les surfaces de collage nettoyées avec de l'acétone. La cure de l'adhésif a été effectuée en appliquant sur les deux côtés des éprouvettes des couvertures chauffantes (Hotsil® SOO x 200 mm, 160 W). Dans la figure 4.20, afin de montrer l'efficacité des couvertures chauffantes, la température mesurée dans le joint de collage lors de l'application des éléments chauffants est comparée à la température mesurée sur une éprouvette chauffée à 65°C dans un four (série C : lamelles non précontraintes). - él. chauff nts'. SO ~ ~ quot;'quot;quot; ~ . ~- 60 ;}V quot;'lII ' ~ ~ro- four 6 oC - 40 f Ïquot;-- 20 éctufferr ent ....(>+refr :>idisseIp.ent o o 20 SO ISO 40 60 100 120 140 160 200 t [min] Figure 4.20 - Température mesurée dans le joint de collage A cause de la contraction produite par l'effort de compression dans les plaques d'acier et de la différence du coefficient d'expansion thermique entre l'acier et le composite, la tension dans les lamelles à l'état final, après avoir réalisé la connexion avec la plaque d'acier et relâché la tension dans le banc de précontrainte, est inférieure à la tension initialement imposée aux lamelles en fibres de carbone. Les pertes de précontrainte dépendent du rapport des rigidités entre les lamelles de renfort et la section d'acier, ainsi que de la différence de température entre la fin de la polymérisation de l'adhésif et la température ambiante à l'état final. Une estimation de la tension finale dans les lamelles et de la contrainte de compression après les pertes dans les plaques d'acier peut être effectuée à l'aide des relations (4.10) et (4.11) : (4.10) Thèse EPFL 2440
  19. 19. 101 Essais de fatigue sur éprouvettes entaillées A lam -a (4.11) a a.P - lam.P A a : tension dans les lamelles en fibres de carbone à l'état final, après avoir réalisé la CTiam,P connexion avec les plaques d'acier et relâché la tension dans le banc de précontrainte : précontrainte des lamelles en fibres de carbone à l'état initial, lors de la mise en tension a lam .p dans le banc de précontrainte : contrainte de compression dans la section brute de la plaque d'acier aa,P : module d'élasticité de l'acier, resp. des lamelles en fibres de carbone Ea• Elam : section en acier, resp. section totale des 4 lamelles en fibres de carbone A a• A/am : coefficient d'expansion thermique de l'acier, resp. des lamelles en fibres de carbone : différence de température (état final moins état initial) !i.T Afin d'obtenir la même contrainte de compression dans la section d'acier pour toutes les séries d'éprouvettes, la force utilisée pour la précontrainte des lamelles a été adaptée en fixant aa,P =-47 MPa et en appliquant l'équation (4.10) avec !i.T =-60°C et alam =O. Pour les lamelles plus rigides et plus épaisses, la perte de précontrainte peut atteindre 23% de la tension initiale Glam .p • La contrainte de compression dans les plaques d'acier, aa,P, mesurée après la réalisation des éprouvettes, est présentée dans la figure 4.21. La précontrainte varie dans un intervalle de ±13% par rapport à la valeur visée de -47 MPa. Les valeurs varient non seulement entre les séries (lamelles différentes), mais également au sein d'une même série d'éprouvettes réalisées simultanément dans le banc de précontrainte avec les mêmes lamelles (par exemple série F). Ces variations sont probablement à imputer aux déformations initiales, en particulier la courbure Uusqu' à 6 mm d'écart mesuré au centre de l'éprouvette), observées sur certaines plaques d'acier. Il faut préciser qu'à cause de la différence entre les coefficients d'expansion thermique, la contrainte de compression dans les plaques d'acier est rapidement influencée par des variations de température. La contrainte de compression peut en effet subir des variations d'environ ±4% à la suite d'une différence de température de ±lO°C. [MPa] CFa,p 60...--------------------------, = 47 MPa CFa,P 50 ------y--------- 40 30 20 10 II o 'T quot;r T BI B2 B3 Dl D2 D3 El E2 E3 FI F2 F3 GI G2 G3 Figure 4.21 - Contraintes dans la section en acier (moyenne des deux faces) dues à la précontrainte des éprouvettes des séries B. D, E. F et G Thèse EPFL 2440
  20. 20. 102 Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés parfatigue Lors de la réalisation des éprouvettes des séries B et G, l'une des quatre lamelles en fibres de carbone a été endommagée. La vérification de la contrainte de compression effectuée sur les éprouvettes Blet G1 avant l'essai de fatigue a permis de constater une forte perte de la précontrainte. Pour cette raison, ces éprouvettes n'ont pas été utilisées pour les essais de fatigue. Une légère perte de précontrainte, de cause indéterminée, a également été mesurée sur l'éprouvette B2 (voir aussi figure 4.22). 4.5 RESULTATS 4.5.1 Contraintes dans la section en acier Le diagramme de la figure 4.22 représente la moyenne des contraintes principales mesurées sur les deux faces de la plaque d'acier lors du premier cycle de charge (jaugesjl, j2, j4 etj5 : figure 4.6). [MPa] 0quot;a 160 acier seul 140 CFRPnon 120 précontraint 100 CFRP 80 60 40 20 0 -20 B2 •...,',. -40 -60 ..I--_ _--'---_ _--'---_ _...L.....L_ _- ' - -_ _- ' - -_ _-'----_ _-'----_ _.l--..../ o 150 250 300 350 400 F [kN] 50 100 200 Figure 4.22 - Cycle de contraintes mesurées En observant la figure 4.22 on peut facilement constater que le renforcement avec les lamelles en fibres de carbone ne produit qu'une faible réduction de l'étendue de contraintes. Le renforcement avec quatre lamelles de 70 mm2 de section ayant un module d'élasticité de 216 GPa (série G : taux de renforcement == 8.8%) ne réduit l'étendue de contraintes que de 81 à 73 MPa. A l'exception des éprouvettes B2 et B3, testées avec un rapport des charges RF de 0.1, les contraintes résultant de la superposition des charges appliquées et de la précontrainte des lamelles en fibres de carbone sont toujours en traction. Le rapport effectif des contraintes R == Oquot;a,11lil/Oquot;a'11lax est de 0.4 pour les éprouvettes sans précontrainte et varie entre 0 et 0.1 dans la zone renforcée pour les éprouvettes avec lamelles précontraintes. L'effet de la précontrainte produit dans la zone renforcée des éprouvettes B2 et B3 des cycles partiellement en compression, avec des rapports de contraintes R inférieurs à -1. Les valeurs extrêmes des contraintes mesurées sur les différentes éprouvettes lors du premier cycle de charge sont résumées dans le tableau 4.23. Thèse EPFL 2440
  21. 21. 103 Essais de fatigue sur éprouvettes entaillées Tableau 4. 23 - Contraintes dans la section en acier R (J (J, ~,p L1(Ja ma,· mm Q, Q, [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] Eprouvette [-] - 136 Al 55 81 0.4 138 A2 56 81 0.4 - - 136 81 A3 56 0.4 38 -38 -52 B2 76 -1.0 30 -50 -54 B3 80 -1.7 126 51 Cl 75 0 0.4 126 C2 51 75 0 0.4 123 48 74 0 C3 0.4 84 Dl 7 -43 0.1 77 84 D2 74 -41 0.1 10 86 -43 D3 76 0.1 11 El 78 4 74 -47 0.1 79 74 -47 E2 5 0.1 E3 76 2 74 -47 0.0 76 -48 FI 0 76 0.0 83 F2 8 75 -44 0.1 75 -1 -51 F3 75 0.0 71 G2 0 71 -47 0.0 76 -48 G3 3 73 0.0 4.5.2 Courbes de propagation Les courbes de propagation établies à partir des mesures par la méthode de chute de potentiel sont représentées dans les figures 4.24 à 4.26. L'efficacité du renforcement avec lamelles en fibres de carbone peut être déduite en comparant les résultats de chaque série d'essais avec les courbes de propagation obtenues pour la série de référence A, éprouvettes non renforcées soumises à une étendue de contraintes dans la section brute de la plaque d'acier de 80 MPa. Avec cette sollicitation, la durée de vie des plaques non renforcées est en moyenne de 375'000 cycles environ. Pour comparer l'effet des différentes variables d'essai, telles que la précontrainte, l'épaisseur et le module d'élasticité des lamelles, le rapport des charges appliquées et le type d'adhésif, les courbes de référence sont alors celles de la série D ((Ja,? =-47 MPa ; tlam =1.2 mm ; E lam =174 GPa, ; RF =0.4). La propagation dans l'éprouvette DIa été fortement ralentie après avoir effectué un marquage à l'encre de la fissure. Pour cette raison, les courbes de propagation mesurées sur l'éprouvette Dl n'ont pas été considérées avec les autres résultats. Les éprouvettes Blet GIn' ont pas été testées, à cause de leur niveau de précontrainte insuffisant. La dispersion au sein d'une série est faible pour les séries A, C et D. Elle augmente ,avec la durée de vie, car plus les phénomènes de fermeture sont importants plus les effets de légères différences des contraintes ((Ja,mlno (Ja,max, R) entre éprouvettes deviennent importants. Thèse EPFL 2440
  22. 22. 104 re1~forcement Lamelles précontraintes pour le de ponts rivetés endommagés par fatigue Influence de la rigidité et de la précontrainte des lamelles L'efficacité du renforcement avec des lamelles en fibres de carbone non précontraintes peut être évalué en comparant les résultats des séries A et C (figure 4.24). Grâce aux lamelles en fibres de carbone, la rupture de l'éprouvette survient après un million de cycles et la durée de vie est prolongée d'environ trois fois. L'efficacité du renforcement est significativement améliorée si les lamelles sont précontraintes (éprouvettes D). Avec une précontrainte de -47 MPa dans la section d'acier et un cycle de contraintes encore complètement en traction, la rupture de l'éprouvette a lieu après environ 1.7 millions de cycles. Dans ce cas, l'augmentation de la durée de vie est d'environ 5 fois par rapport à l'éprouvette non renforcée (A), et d'une fois et demie par rapport à une éprouvette avec le même type de renforcement appliqué sans précontrainte (éprouvettes C). Les valeurs d'augmentation sont résumées dans le tableau 4.27. Une augmentation de l'épaisseur des lamelles de 0.2 mm (éprouvettes E), correspondant à une augmentation du taux de renforcement de 6.2% à 7.2%, améliore considérablement l'efficacité du renforcement et augmente la durée de vie de 1.7 à environ 2.7 millions de cycles. L'effet de la rigidité des lamelles est encore plus évident si l'on regarde les courbes de propagation des éprouvettes G, renforcées avec des lamelles précontraintes avec un module d'élasticité de 216 GPa et une épaisseur de 1.4 mm (taux de renforcement 8.8%). Le nombre moyen de cycles à la rupture est de 6 millions et correspond à une augmentation de la durée de vie, par rapport à l'éprouvette non renforcée, de plus de seize fois. a [mm] 140 Cl El C2 D2 Al C3 E3 A2 D3 E2 G3 120 A3 G2 100 80 E 1am t /all1 G'a.P ~ [MPa] [GPa] [mm] a: 60 174 C 0 1.2 .,) 174 1.2 -47 D b. ~ 174 1.4 -47 E C ] 40 • -47 216 1.4 G (acier seul) A 20 = 80 MPa, R F = 0.4 t,(J N [cycles] O+-:--...,.----r-----r----r-----r---,----r--~ o Figure 4.24 - Courbes de propagation: effet de la rigidité du renforcement tlam·Elam et de la précontrainte (J'a,P Thèse EPFL 2440
  23. 23. 105 Essais de fatigue sur éprouvettes entaillées La forme convexe des courbes de propagation des éprouvettes E et G montre que la réduction maximale de l'étendue du facteur d'intensité de contraintes I1K produite par le renforcement, est croissante et que le renforcement atteint son efficacité maximale lorsque le front de la fissure approche le bord extérieur de la lamelle. Une fois que la pointe de la fissure a dépassé la lamelle, à environ 15 mm du bord extérieur de celle-ci, la courbe de propagation reprend sa forme concave habituelle et la fissure se propage très rapidement jusqu'à la rupture de l'éprouvette. Les essais montrent que le renforcement par des lamelles en fibres de carbone augmente également la longueur critique de la fissure, am provoquant la rupture de l'éprouvette (tableau 4.27). Cela signifie donc que ce type de renforcement, en plus de prolonger considérablement la durée de vie à la fatigue, réduit également le risque de rupture prématurée sans avertissement (voir aussi chapitre 5, paragraphe 5.4.4). Influence du rapport des charges RF Bien que l'efficacité de la précontrainte des lamelles sur la durée de vie ait déjà été démontrée par les éprouvettes sollicitées avec un rapport des charges RF particulièrement défavorable de 0.4 (figure 4.24), celle-ci est encore plus évidente lorsqu'une partie du cycle des contraintes se trouve en compression. Pour vérifier cette situation de charge, deux éprouvettes (B2 et B3) ont été testées avec un rapport de charges de 0.1. Ce rapport des charges est également plus proche d'une situation réelle de chargement pour la plupart des éléments rivetés. a [mm] 140 02 Al A2 03 120 A3 100 80 E 'am RF t lam Œ a ,? [MPa] [GPa] [nun] [-] Q.., 60 e: oB -47 174 1.2 0.1 U -47 AD 174 1.2 0.4 ~ -A (acier seul) 0.4 ~ j 40 B2 20 B3 N [cycles] L10quot; = 80 MPa, RF = 0.4 et 0.1 .....---'T----r-'----' O+--J:quot;-_~---r-----r-----'r----- o Figure 4.25 - Courbes de propagation: effet du rapport des charges RF =FI1l ;,/Fl1lax Thèse EPFL 2440
  24. 24. 106 Lamelles précontraintes pour le renforcement de ponts rivetés endommagés par fatigue Avec un rapport de charges de 0.1, la précontrainte des lamelles en fibres de carbone produit un cycle de contraintes partiellement en compression, beaucoup plus favorable pour l'apparition de phénomènes de fermeture de fissure. Grâce à la précontrainte, l'étendue de contraintes efficace est réduite considérablement et la propagation de la fissure fortement ralentie. Les essais de fatigue sur les éprouvettes B2 et B3 ont été arrêtés à respectivement 4 et 5 million de cycles, après avoir observé une propagation des fissures de seulement 7 et 10 mm. La propagation plus rapide dans l'éprouvette B2 résulte du niveau de précontrainte plus faible par rapport à l'éprouvette B3 (voir aussi figure 4.22). L'efficacité maximale des lamelles se produisant pour des fissures plus longues, il est possible de montrer que ces fissures auraient totalement arrêté de se propager si les essais avaient étés poursuivis. Les résultats des essais effectués avec un rapport de charges RF de 0.1 montrent donc qu'en choisissant un niveau de précontrainte adéquat, le renforcement avec des lamelles en fibres de carbone précontraintes permet d'atteindre des durées de vie infinies. Les résultats des essais de fatigue effectuées sur les éprouvettes B2 et B3 montrent également que, grâce à l'effet produit par la précontrainte des lamelles, le renforcement est aussi très efficace pour ralentir la propagation de petites fissures, dont la pointe n'a pas encore atteint le bord de la lamelle. Avec ce type de renforcement, il est donc possible d'arrêter la propagation de fissures se trouvant encore sous la tête des rivets et qui ne peuvent pas ou très difficilement être détectées avec les méthodes d'inspection existantes. Influence des caractéristiques mécaniques de l'adhésif La figure 4.26 illustre les courbes de propagation obtenues avec des éprouvettes renforcées en employant deux adhésifs ayant des caractéristiques mécaniques et une résistance à la fatigue différentes. a [mm] 140 D2 Al F2 D3 A2 120 A3 F3 FI 100 80 E lam adhésif t lam Œ'a,P [MPa] [GPa] [mm] 60 1.2 SW DP490 A 174 -47 D III 174 1.2 SW AF163 -47 F (acier seul) A 40 t!.u = 80 MPa. RF = 0.4 20 N [cycles] ---r---...,...---r-----,----r---quot;'T''quot;quot;----, O+-''----......- o Figure 4.26 - Courbes de propagation: effet du type d 'adhésif utilisé pour le renforcement Thèse EPFL 2440
  25. 25. 107 Essais de fatigue sur éprouvettes entaillées La grande dispersion des résultats de la série F est une conséquence directe de la variation du niveau de précontrainte dans cette série d'éprouvettes (figure 4.21). La comparaison des courbes de propagation des éprouvettes ayant le même niveau de précontrainte (D2, D3 et F2) montre que les durées de vie obtenues sont très similaires. Les caractéristiques mécaniques de l'adhésif ne semblent donc pas avoir une influence déterminante sur l'efficacité du renforcement. En effet, bien que l'éprouvette F2 ait été réalisée en employant le film adhésif SW AF 163, caractérisé par une résistance statique et à la fatigue supérieures par rapport à l'adhésif bi-composant SW DP490, sa durée de vie à la fatigue n'est pas supérieure à celle des éprouvettes D2 et D3. Les résultats des modèles numériques confirment cette constatation (chapitre 5). Résumé des durées de vies et des longueurs des fissures atteintes à la fin de l'essai de fatigue Les nombres de cycles et les demi-longueurs de fissure atteintes à la fin de chaque essai de fatigue sont résumés dans le tableau 4.27. Tableau 4.27 - Durées de vie et demi-longueurs de fissures atteintes à la fin de l'essai de fatigue N [cycles] a [mm] fin de l'essai réf. A éprouvette réf. D 366'000 Al 106 rupture complète - 382'000 1 A2 100 rupture complète 376'000 96 rupture complète A3 - 5'084'000 B2 22 - » x 12 - 4'000'000 25 B3 - 1'030'000 Cl 98 - - 1'070'000 x3 C2 114 l' 160'000 C3 119 rupture complète ................................................................. ;............... - 1'675'000 D2 114 x5 1 - 1'701 '000 D3 115 2'287'000 El 126 rupture complète 2'724'000 x7 E2 117 rupture complète x2 3'295'000 E3 114 rupture complète - 2'360'000 FI 104 1'564'000 x5 F2 120 rupture complète x1 1'897'000 F3 117 rupture complète - 5'190'000 106 G2 x 16 x4 7'028'000 114 G3 rupture complète Champ de déplacements à la surface de l'éprouvette 4.5.3 Des mesures du champ de déplacements en surface ont été effectuées par interférométrie speckle [Facchini 1999, 1999a, Bassetti 2001] afin d'étudier les phénomènes de délamination entre le renforcement en fibres de carbone et la plaque d'acier lors de l'avancement du front de fissure dans la zone d'application de la lamelle. La figure 4.28 montre l'évolution du champ de déplacements mesuré à la surface de l'éprouvette C3 à différentes étapes de l'essai de fatigue. Chaque frange d'interférence correspond à un déplacement dans le plan de l'éprouvette de 1.35 ).lm. Les déplacements ont été produits par une augmentation de la charge de 160 kN à 400 kN. Des mesures analogues, effectuées sur d'autres éprouvettes et d'autres séries, sont présentées et discutées dans l'annexe D. Thèse EPFL 2440

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