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HAL Id: tel-00529410 https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-00529410 Submitted on 25 Oct 2010 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Etude du comportement à la rupture d’un matériau fragile précontraint : le verre trempé Hélène Carre To cite this version: Hélène Carre. Etude du comportement à la rupture d’un matériau fragile précontraint : le verre trempé. Mécanique [physics.med-ph]. Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 1996. Français. <tel- 00529410> ÍNlS 2 0 4 2 2 <4> " 4 / . i DE^^ÔLEysIfêtONALE DPS AMTS T Ê T CHAUSSEES Sciences--et Techniques du 'Bâtiment Thèse présentée par ;fiélène-CA$£RE Etude clu coiBpörtemjen^3^i:u|)tiire v:d':un::.matéttaïilpagM6 ptl^ntraint : • - - • • • . :'-"'-r • ;ie^erré#ëSA:^;:- A • - - "soatenuë'ïc 11 décembre 1996 - > : „ • "-7. -' , ' * " ' ~r ' : • • ' ' - ' . " h • v r J u r y - - :... ' ••' ••'•. ' • ; . / , ' • ->;• ; M. AlawEHMÀeSER " v- M Dominique. ITRANCOIS M.Roland PIQUES M. Jaeky MAZARS* M. Laurent DAÏJDEVÎLLE M RenéGY ' - M. Charles B A LOCHE V Présiëewt Rapporteur Rapport eu r Examinateur Examinateur Examinateur'"'. , Examinateur- " ^ jvtâ*. A/S ¿ôttt (*) C'est pour ainsi dire une revanche de l'ambition que le désir de plaire à ses amis Marcel Proust INV04478 J* REMERCIEMENTS Cette étude a été réalisée au service des structures du Centre Scientifique et Technique du Bâtiment avec l'encadrement scientifique du Laboratoire de Mécanique et Technologie de Cachan et une collaboration de Saint-Gobain Recherche. Je tiens à remercier les membres du jury et en particulier les rapporteurs Dominique FRANÇOIS et Roland PIQUES pour tout l'intérêt et toute l'attention qu'ils ont porté à ce travail. Je remercie Jacky MAZARS qui m'a donné la chance de découvrir la recherche en m'accueillant dans le DEA MAISE. H m'a fait l'honneur d'être mon directeur de thèse. Je le remercie pour son suivi régulier et particulièrement efficace de l'étude. Je remercie également Jacques RlLLlNG de m'avoir donné l'opportunité de travailler au CSTB et de m'avoir encouragée tout au long de ce travail. Je remercie Charles BALOCHE qui a suivi ce travail et m'a permis de réaliser cette thèse dans de très bonnes conditions. Un travail de thèse se développe à partir d'une synthèse bibliographique. Pour cela, je remercie la documentation du CSTB, en particulier Brigitte MOUACI et Marine CHARNEAU ainsi que Elisabeth PAGES et Martine LE HAÏR de l'Institut du Verre. La collaboration avec Saint-Gobain Recherche nous a permis de profiter de connaissances remarquables sur le verre. A ce titre, je tiens à remercier René GY pour sa collaboration active, pour tout l'intérêt qu'il a porté à ce travail et pour son remarquable esprit scientifique. Je remercie également Jacques PRIEUR qui m'a aidé à la découpe des petites éprouvettes en verre recuit et qui a réalisé les mesures optiques si utiles à l'étude. Une grande partie de ce travail a résidé dans l'expérimentation. Pour cela, les conseils de Bruno MESUREUR furent indispensables. Je remercie toute l'équipe du laboratoire d'essais et plus particulièrement Philippe RIVILLON qui a une énorme responsabilité dans la réussite de ces essais. La thèse étant destinée à être présentée et diffusée, sa présentation revêt une très grande importance. Je remercie Florence RENIER pour m'avoir aidée à la mise en page, à îa réalisation de la couverture, et pour bien d'autres choses. J'ai trouvé au CSTB un cadre de travail particulièrement agréable et accueillant. Je remercie toutes les personnes qui m'ont supporté pendant ces trois ans, en particulier Brigitte DUPONT et Maryse SARRE. J'adresse un merci tout particulier aux personnes avec qui j'ai pu sympathiser : Wafa, Anne, Serge. Martine, Eliane, Marine, Marie-Thérèse, Jacques, Alain, Sylvie, Didier, Thierry, Canh, Christian, Jean-Marie, André, Bruno, Pierre, Patrick, Ghassan ... La conclusion de ces remerciements ira à Laurent DAUDEVILLE. Il fut un soutien de chaque jour. Ses conseils, son travail, son écoute furent une aide inestimable. Sans elle, les pages qui suivent eurent été bien différentes. Résumé RESUME L'objectif de ce travail est l'étude du comportement à la rapture d'un matériau fragile précontraint : le verre trempé. Pour la prédiction de la résistance du verre trempé, la connaissance de l'état de précontrainte tridimensionnel est indispensable. Dans le cas de l'utilisation du verre pour les structures du bâtiment (ce qui constitue la première application de ce travail), les éléments sont chargés dans leur plan ; le niveau de précontrainte sur la tranche doit être déterminé. La simulation du traitement de trempe (chauffage et refroidissement brutal) par le code aux éléments finis MARC permet de calculer les contraintes transitoires et résiduelles. Le verre est un matériau viscoélastique dont le comportement varie avec la température. Le verre est un matériau fragile. Sa résistance dépend directement de son état de surface, des défauts présents dans l'élément. Une analyse statistique permet de relier la probabilité de rupture au niveau de la contrainte appliquée, de prendre en compte l'effet de surface et l'effet de la distribution des contraintes. Des essais de flexion 4 points sur de petits éléments en verre recuit servent à déterminer les caractéristiques de la loi statistique utilisée (loi de Weibull). L'effet de la vitesse de chargement sur la résistance est mis en évidence et pris en compte dans la modélisation. Il est dû à la fissuration sous-critique des défauts préexistants pendant le chargement en raison de la réaction chimique entre le verre et la vapeur d'eau présente dans l'environnement. Des essais de flexion 4 points sur de grandes poutres en verre recuit permettent de valider la loi statistique pour prédire l'effet de volume dans le verre recuit. Grâce aux résultats des simulations de la trempe et à la connaissance des caractéristiques statistiques de rupture du verre recuit, la prédiction de la résistance de grands éléments en verre trempé est possible. Cette prédiction est validée par des essais de flexion 4 points sur de grandes poutres en verre trempé. Des essais similaires de longue durée sont programmés pour étudier l'évolution de la résistance du verre recuit et trempé dans le temps. Mots clefs : verre silico-sodo-calcique viscoélasticité trempe thermique méthode des éléments finis rupture probabilité de rapture effet d'échelle fissuration sous-critique essais de flexion poutre en verre 5 Abstract ABSTRACT The aim of this work is to study the fracture behavior of a prestressed material, the tempered glass, and predict its load-carrying capacity. The knowledge of tridimensional stress state is indispensable. In the case of glass building structures, elements are loaded in their plane. The edge prestress level must be determined. Simulation of tempering with the finite elements code MARC allows the calculation of transient and residual stresses. Glass is a viscoelastic material whose behavior varies with temperature. Glass is brittle. Its resistance depends on its surface state, on flaws of the structure. A statistical analysis allows a link between the failure probability and the applied stress, to take into account both the scale effect and the stress distribution. Four-point bending experimentations with annealed glass small specimens give statistical characteristics corresponding to the Weibull's theory. The loading rate effect is shown and taken into account in the modeling. It is due to the subcritical crack growth of preexisting flaws during loading because of chemical reaction between glass and environmental water vapor. Four-point bending tests on large annealed glass beams validate the statistical relation for the prediction of volume effect in glass. With computational and experimental results (statistical characteristics of glass failure), the prediction of large tempered glass beams strengths is possible. This prediction is consistent with results of experiments on large annealed and tempered glass beams. Long-term four-point bending tests on annealed and tempered glass beams are scheduled to study the evolution of annealed and tempered glass resistance under constant loading. Key words : soda-lime silicate glass viscoelasticity thermal tempering finite element method failure failure probability scale effect subcritical crack growth bending tests glass beam 6 Sommaire SOMMAIRE LISTE DES FIGURES..... 13 LISTE DES SYMBOLES ET NOTATIONS 17 INTRODUCTION...... ...23 CHAPITRE A BIBLIOGRAPHIE : COMPORTEMENT ET RUPTURE DU VERRE Ai. COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE DU VERRE.... 31 A.I.l. Introduction 31 A.Í.2. Le verre à température ambiante... 31 A.1.3. Comportement thermo-mécanique à haute température 31 A.IJ.a. Théorie du refroidissement instantané 31 A.Í.3.D. Théorie viscoélastique 32 A.I.3.C. Théorie structurelle 34 A.ÍI. RUPTURE DU VERRE.... 34 A.II.l. Rupture d'un matériau fragile 34 A.IL La. Introduction ..34 A.II.l.b. Résistance théorique 35 A.II.l.c Résistance d'un solide fragile avec défaut 35 A.II.l.d. Défauts du verre 36 A.ÏÏ.2. Mécanique de la rupture ....37 A.II.2.a. Introduction 37 A.II.2.b. Approche de Griffith. 38 A.II.2.C Approche d'Irwin 38 A.II.2.d. Critères de propagation .......39 A.ÏI.3. Observation uploads/Science et Technologie/ approche-global-verre-trempe-fissure.pdf