Soutenance mémoire
Introduction
Les matériaux ont toujours été au coeur des grandes innovations technologiques dans divers secteurs industriels, Durant ces dernières décennies, les ingénieurs et les chercheurs, entraînés dans une quête constante de solutions de plus en plus innovantes, ne cessent d’oeuvrer à la recherche et à l’élaboration de nouveaux matériaux toujours plus performants ; ceci dans le but d’améliorer les applications développées en termes de poids, de résistance et de qualité.
Parmi les nouveaux matériaux, les alliages à mémoire de forme (AMF) ou en anglais « Shape Memory alloys » (SMA), à couplage thermomécanique. Ces derniers sont naturellement capables de changer leurs propriétés physiques en fonction de l’environnement dans lequel ils se trouvent ou en fonction de la sollicitation à laquelle ils sont soumis.
Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) sont en revanche peu présents dans le domaine du génie civil. Le retard pris dans ce domaine peut s’expliquer, en partie, par le cout élevé des AMF au regard de celui des matériaux de construction usuels, mais aussi par le manque de connaissance des mécanismes impliqués dans leur association à des matériaux de construction traditionnels tels que la maçonnerie ou le béton.
Historique
C’est en 1932 que Chang et Read ont découvert la transformation de la microstructure qui provoque les caractéristiques de mémoire de forme dans un alliage or-cadmium. Il a fallu ensuite attendre trois décennies, en 1962, pour que Buehler et al. Au Naval Ordinance Laboratory découvrent un alliage nickel-titane (Ni-Ti) qui présentait également l’effet mémoire de forme (Adoum Waibaye, 2016), puis en 1963 l’effet mémoire a été mis en évidence sur un alliage nickel-titane. En 1969 la première application industrielle est apparue avec l’utilisation de manchons en alliage Ni-Ti pour raccorder des tuyauteries hydrauliques sur des chasseurs F14 (Ellouze, 2009). Après la NASA fut pionnière en la matière en utilisant largement les AMF dans différents organes des navettes et engins spatiaux.
Définition des AMF
Les alliages à mémoire de forme (AMF) se distinguent des autres alliages par leurs comportements thermomécaniques très remarquables. L’effet mémoire de forme, qui a donné son nom à cette famille d’alliages, ne représente qu’un des nombreux comportements spécifiques de ces matériaux. Ces alliages à mémoire de forme retrouvent automatiquement ou par chauffage leur forme initiale même après de fortes déformations.
Les propriétés pseudo élastiques des alliages à mémoire de forme (superplasticité, mémoire de forme) reposent sur l’existence d’une transformation de phase à l’état solide appelée transformation martensitique thermo élastique.
La figure I.1 présente une comparaison entre un alliage classique et un alliage a mémoire de forme qui revient à sa forme initiale après échauffement.
Description générale du comportement mécanique des AMF
Les AMF sont généralement décrits par les déformations qu’ils subissent. Ainsi, nous allons distinguer deux sortes de comportements physiques de ces alliages :
1. les petites déformations élastiques linéaires dont sa nature physique est bien connue dans la mécanique des corps déformables.
2. les grandes déformations non linéaires qui sont induites, soit par une transformation de phase, soit par un réarrangement de la structure granulaire de la phase en présence. Dans le premier cas, il y a une transition entre deux états thermodynamiques de base: la phase à haute température dite austénite, et la phase à basse température dite martensite ; le deuxième cas est caractérisé par un changement de la structure de la martensite présente dans le matériau (Oleg Volkov, 1999).
La transformation Martensitique-Austénitique
En 1897 l’allemand Adolf Martens observe que « la transformation martensitique » est associée à la transformation de la phase mère « l’austénite » des alliages en « martensite ».
La transformation martensitique est une transition structurale présentant une déformation homogène de réseau cristallographique, constituée essentiellement par un cisaillement.
Dans les AMF, l’austénite est stable à très haute température (environ 900°C), mais elle peut être maintenue à plus basse température par une trempe : on parle alors de phase métastable. La symétrie de l’austénite est de type BCC (cubique à corps centré) dans tous les AMF connus. La symétrie de la martensite dépend quant à elle de la composition chimique de l’AMF et du procédé d’élaboration du matériau. La figure I.2 montre le déplacement collectif et coopératif des atomes dans une transformation de l’austénite en martensite.
La martensite est obtenue à partir de l’austénite par application d’une contrainte mécanique ou par diminution de la température. Par convention, on appelle :
Austénite (A) : la phase haute température.
Martensite (M) : la phase basse température.
Lors du refroidissement du matériau
La transformation directe : austénite → martensite commence à une température Ms (Martensite Start). La transformation est complète à la température Mf (Martensite Finish) (figure 2.3) où le matériau est totalement martensitique. Entre ces deux températures les deux phases coexistent.
Lors du chauffage :
La transformation inverse : martensite → austénite débute à une température As (Austenite Start) et se termine à la température Af (Austenite Finish) (figure I.3) où le matériau est complètement austénitique (ECHCHORFI, 2013)
Les propriétés thermomécaniques des AMF
C’est la transformation martensitique qui est à l’origine des propriétés thermo-élastiques des AMF.
Effet mémoire simple sens (ESS)
L’effet mémoire simple sens est observé lorsqu’un échantillon d’AMF à basse température (température inférieure à Mf) donc constitué de martensite (auto-accommodante) est soumis à un chargement mécanique (Karine TAILLARD, 2006), il est défini comme le recouvrement de forme par chauffage après déformation « pseudo-plastique » en phase martensitique (Adoum Waibaye, 2016).
Effet mémoire double-sens (EMDS)
A haute température dans le domaine austénitique, une contrainte est appliquée, puis l’échantillon est refroidi à une température inférieure à Mf toujours sous contrainte. Lorsque la transformation de l’austénite vers la martensite se produit, celle-ci se fait de sorte que le matériau puisse « accommoder » la déformation appliquée sans pour autant introduire de défauts de type dislocation. Après chauffage, l’échantillon retourne à sa forme haute température car il n’y a pas eu création de défaut. La répétition de ce cycle plusieurs fois permet à l’échantillon de se « rappeler » de sa forme à basse température. On parle alors d’éducation. Ainsi, lorsque la température change, le matériau passe naturellement et sans application d’une contrainte, de sa forme haute température à sa forme à basse température (GUILLAND, 2017).
Effet d’amortissement (EA)
L’amortissement mécanique des matériaux, encore appelé frottement interne 𝐐−𝟏, est le résultat d’une transformation irréversible d’énergie mécanique en énergie thermique dissipée. Cette propriété présente également un grand intérêt pour des applications techniques. Alliages à mémoire de forme présentés se distinguent cependant par une capacité d’amortissement largement supérieure à celle des matériaux usuels.
Effet super-élastique (SE)
À température constante T1 au-dessus de la température Af lorsque l’on applique une contrainte croissante et que celle-ci atteint la valeur critique, la variante la plus favorisée est induite et produit une déformation importante dans le sens de la contrainte. Cette déformation disparaît à contrainte ; c’est l’effet super-élastique (Guénin, 1996).
Les alliages à mémoire de forme présentent une capacité de déformation réversible très supérieure à d’autres matériaux. En effet, elle peut atteindre jusqu’à 10 %, contre 1,2 % pour les matériaux usuels. Ce qui signifie qu’un échantillon de longueur initiale de un mètre peut être étiré de 10 centimètres et qu’il retrouvera sa forme initiale (GUILLAND, 2017).
Effet caoutchoutique (EC)
Cet effet est observé pour la première fois en 1932 sur un alliage or-cadmium, constitue la première manifestation étudiée de l’effet de mémoire de forme (Baidi, 2009), une partie de la déformation d’un échantillon martensitique est réversible par mouvement des interfaces entre variantes lors de l’arrêt de la contrainte. Le déplacement des interfaces des variantes de martensite consomme de l’énergie ainsi l’alliage possède de remarquables propriétés d’amortissement (Jordan et Rocher, 2010).
Effet du polycristal
Pour un monocristal, la déformation de transformation atteignable est supérieure à celle d’un polycristal : 10% (Vivet, 1999) contre 6% (Entemeyer, 1996) pour un alliage Cu-Al-Be. L’écrouissage associé à la transformation de phase est également plus faible pour un monocristal : on parle de « plateau de transformation ». Enfin, dans un monocristal, lorsque l’on applique une contrainte, une seule variante de martensite apparaît (Vivet, 1999), contrairement à ce qui se passe dans un polycristal, où l’on observe plusieurs variantes de martensite par grain (Patoor et al, 1995). Ce phénomène est dû à l’interaction entre les grains qui provoque une hétérogénéité des contraintes. Par la suite, nous n’étudierons que des polycristaux.
Les familles d’AMF
Généralement, on dénombre trois familles majeures d’Alliages à Mémoire de Forme (AMF), les AMF à base de Nickel-Titane (NiTi), à base de Cuivre (Cu) et à base fer. Elles se distinguent par leurs compositions chimiques, leurs propriétés mécaniques et physiques, leurs comportements thermomécaniques et leurs applications industrielles.
Les alliages à base de nickel titan
Les alliages Ni-Ti utilisés ont une composition très proche de la composition équiatomique (50%Ni – 50%Ti) (Echchorfi, 2013). L’utilisation de cet alliage ne cesse d’augmenter du fait de leur :
Bonne résistance à la corrosion.
Des propriétés thermomécaniques assez remarquables (l’effet de mémoire de forme simple et double sens, l’effet super-élastique, l’amortissement …).
Des propriétés mécaniques excellentes (déformation de transformation importante et une bonne résistance à la fatigue).
L’amplitude de déformation pseudo-plastique qui peut aller jusqu’à 8%.
Les domaines d’application d’AMF peuvent être classés en quatre classes :
Actuateurs
-Changement de forme et production d’un travail (ressort, lames)
-Electriques
-Thermiques
Connecteurs
-Maintien, serrage, positionnement de pièces, attaches de toutes sortes
Super-élastiques
-Déformation importante et reprise de la forme initiale une fois la contrainte supprimée
Amortisseurs
-Diminution du niveau de bruit et des vibrations
Les connecteurs utilisent l’effet mémoire double sens et le retour contraint. Le but est de produire une force (de serrage par exemple) importante.
Les applications de la super-élasticité sont liées aux importantes déformations réversibles qu’’il est possible d’obtenir.
Les amortisseurs s’utilisent afin de diminuer les niveaux de vibration et de bruit.
Ces différentes classes de comportement peuvent être utilisées dans tous les secteurs industriels. Les principaux succès proviennent des applications de la super-élasticité dans le secteur du textile (La qualité du maintien se trouve dans la fabrication des chapeaux…).
Applications des AMF en génie civil
L’utilisation des alliages à mémoire de forme (AMF) est de plus en plus développée au cours des dernières décennies. De nombreux chercheurs ont mené des activités intensives visant à explorer des dispositifs et des applications innovants en utilisant ces matériaux intelligents.
Les AMF possèdent des caractéristiques physiques et mécaniques qui font des candidats de choix. Pour l’utilisation dans les applications d’ingénierie structurelle. Telle que L’auto-adaptation des structures. Au cours des dernières décennies, des efforts de recherche intensifs ont été déployés pour l’ingénierie des structures, pour objectif d’utiliser des techniques d’ingénierie intelligentes pour la conception et la construction de bâtiments. Dans les applications de génie civil, avec un accent particulier sur les systèmes sismiques du contrôle de la réponse des structures. Plusieurs systèmes et dispositifs innovants, utilisant principalement les AMF à base de Cu et Ni-Ti ont été développés pour absorber une partie de l’énergie sismique et réduire les forces sismiques agissant sur une structure, pour le contrôle de l’amortissement, le contrôle de la structure rénovation, etc. Les AMF ont été intégrés dans ces dispositifs sous de nombreuses formes possibles, tels que les fils simples et toronnés, les câbles, les rubans, les tubes et les barres. Un certain nombre de caractéristiques physiques et mécaniques des AMF peut être considéré comme souhaitable du point de vue de l’ingénierie structurale.
Les propriétés des AMF peuvent être exploitées dans les applications de génie civil, telles qu’une bonne résistance à la fatigue et à la corrosion, , une bonne capacité d’amortissement et une bonne polyvalence en termes de formes et de configurations possibles.
Dans les sections suivantes, une variété d’applications AMF dans le domaine de l’ingénierie structurelle est présentée et divisée en plusieurs sections selon le domaine d’application (lecce et concilio, 2014).
Systèmes de dissipation d’énergie : portiques contreventés
En raison des caractéristiques dynamiques des risques naturels, des concepts innovants et des systèmes de dissipation de l’énergie utilisés dans le cadre de la sécurité des structures, ont été proposés récemment, et ils sont actuellement à divers stades de développement. En particulier, les dispositifs passifs ont acquis une attention remarquable dans le domaine de l’ingénierie sismique. L’avantage de prévenir les dommages aux éléments non structuraux et structuraux. Dans des conditions sismiques modérées. Parmi les dispositifs passifs susceptibles d’être utilisés pour ces objectifs, les contreventements sont une solution d’ingénierie largement utilisée, en particulier dans les domaines suivants pour les structures en acier.
Les deux facteurs clés du succès de l’utilisation de ces matériaux sous forme de contreventements pour les cadres de structures sont :
– La super-élasticité.
– La dissipation d’énergie par comportement hystérétique.
Dispositifs d’isolation basés sur les AMF
Lors des récents tremblements de terre, les systèmes d’isolation de la base se sont avérés efficaces pour atténuer la réponse sismique des structures des bâtiments et des ponts. Au cours des dernières décennies, le développement d’applications d’ingénierie dans le domaine de l’isolation sismique s’est considérablement développé, introduisant des matériaux, technologies et systèmes techniques innovants et performants parmi ces matériaux les AMF. Ces derniers présentent plusieurs avantages :
Capacité d’auto-centrage.
Grande rigidité pour les petits déplacements.
Bonne capacité de dissipation d’énergie.
D’autres propriétés importantes communes à tous les types de dispositifs basés sur l’AMF, telles que la résistance à la fatigue (Eggeler Get al, 2004) ; (DesRoches R,2004) la durabilité élevée, l’absence de dégradation due au vieillissement, une sensibilité plutôt limitée aux températures compatibles avec les applications types du génie civil.
Dispositifs d’amortissement pour structures de pont
Plusieurs études ont été menées pour étudier la possibilité d’utiliser des matériaux AMF dans les dispositifs de prévention de l’amortissement dans les ponts à travées multiples, en surmontant certaines des limitations. De dispositifs conventionnels à base d’acier, y compris les serre-câbles en acier et les tiges d’acier.
En particulier, de nombreuses infrastructures civiles impliquent l’utilisation de câbles structuraux, qui sont cruciaux. Composants de ponts à haubans, de ponts suspendus et des ponts en béton précontraint. En raison de l’exposition environnementale et fonctionnelle pendant la durée de vie du pont, ces câbles sont sujets à deux principaux mécanismes d’endommagement :
Raccordements structuraux basés sur AMF
Les connexions poutre-poteau en acier sont reconnues comme un système structurel approprié contre les charges sismiques. Néanmoins, des défaillances fragiles d’un grand nombre de connexions de ce type se sont produites. Plus tard, les tremblements de terre ont poussé plusieurs initiatives de recherche à créer des liaisons qui ont pu démontrer une performance plus robuste sous des charges sismiques. Pour résoudre ce problème et réduire les procédures de réparation coûteuses et difficiles, Plusieurs chercheurs ont examiné la possibilité d’utiliser des systèmes fondés sur les AMF pour contrôler la réponse structurelle des raccordements sous forte intensité sismique, en particulier dans le cas des structures métalliques.
En particulier, les connecteurs AMF ont été conçus pour fournir des propriétés d’amortissement à la structure et tolèrent efficacement des déformations relativement importantes. De plus, la superplasticité Les AMF ont le potentiel de créer un mécanisme de recentrage ductile simplifié sur l’axe de la connexion en cas de forte demande de dérive en raison de leur capacité unique à se rétablir naturellement. Jusqu’à 8% de déformation, limitant ainsi les dégâts sur les principaux éléments de structure.
Les AMF comme matériau d’armature dans les structures en béton
L’utilisation d’AMF super-élastiques comme matériau d’armature dans les structures en béton suscite de plus en plus d’intérêt dans le milieu de la recherche. En effet, en raison des propriétés mécaniques particulières des AMF par rapport à l’acier ordinaire, l’utilisation de l’AMF comme armature peut modifier la réponse des structures en béton armé sous des charges sismiques et donc réduire les déformations permanentes dans les éléments de structure, De plus, la capacité de réponse avec une hystérésis stable permet aux cadres en béton armé AMF d’obtenir des propriétés de résistance et de ductilité similaires à celles du béton armé avec des barres déformées classiques.
Auto-réhabilitation à l’aide d’AMF
D’autres utilisations de l’AMF en génie civil sont liées à l’auto-restauration d’éléments structuraux, exploitant principalement l’effet de mémoire de forme des matériaux AMF. Li et al.67 ont étudié la relation entre de récupération et la température du NiTi AMF. En chauffant à différentes intensités d’électricité, de simples poutres en béton ont été testées dans le but d’évaluer l’utilisation des fils NiTi AMF comme dispositifs de réparation d’urgence. Les résultats des essais ont montré que les fils NiTi AMF pouvaient fermer les fissures dans le béton et réduire efficacement la déformation de la poutre en béton sous chauffage électrique.
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I : Généralités sur les Alliage à Mémoire de Forme
I.1. Introduction
I.2. Historique
I.3. Définition des AMF
I.3.1. Description générale du comportement mécanique des AMF
I.3.2. La transformation Martensitique-Austénitique
I.4. Les propriétés thermomécaniques des AMF
I.4.1. Effet mémoire simple sens (ESS)
I.4.2. Effet mémoire double-sens (EMDS)
I.4.3. Effet d’amortissement (EA)
I.4.4. Effet super-élastique (SE)
I.4.5. Effet caoutchoutique (EC)
I.4.6. Effet du polycristal
I.5. Les familles d’AMF
I.5.1. Les alliages à base de nickel titan
I.5.2. Les alliages à base de fer
I.5.3. Les alliages à base de cuivre
I.6. Applications générales des AMF (entremayer, 1996)
I.7. Applications des AMF en génie civil
I.7.1. Systèmes de dissipation d’énergie : portiques contreventés
I.7.2. Dispositifs d’isolation basés sur les AMF
I.7.3. Dispositifs d’amortissement pour structures de pont
I.7.4. Raccordements structuraux basés sur AMF
I.7.5. Rénovation structurales de bâtiments et des ponts avec des AMF
I.7.6. Les AMF comme matériau d’armature dans les structures en béton
I.7.7. Auto-réhabilitation à l’aide d’AMF
I.8. Conclusion
Chapitre II : Revue de la littérature
II.1. Introduction
II.2. Dispositifs de contrôle des vibrations
II.3. Dispositifs d’atténuation sismique basés sur des AMF
II.3.1. Systèmes de contreventement
II.3.2. Système d’isolation de base
II.3.3 Conteneurs de charnière de pont
II.3.4 Connexions structurelles
II.3.5. Applications aux ouvrages de génie civil existants
II.3.6. Applications aux structures historiques
II.4. Conclusion
Chapitre III : Etude du comportement des AMF sur une structure simple de forme prismatique
III.1. Introduction
III.2. Les principales hypothèses
III.3. Caractéristiques mécaniques des structures et des AMF
III.3.1. Caractéristiques mécaniques des structures
III.3.2. Caractéristiques mécaniques des AMF
III.3.3. Caractéristiques du support de l’AMF
III.4. Modélisation numérique des AMF
III.5. Analyse modale
III.6. Analyse dynamique transitoire de structure pleine avec AMF avec deux attaches différents
III.7. Analyse dynamique transitoire des structures pleine et évidée sans et Avec AMF
III.8. Comparaison des résultats de la structure pleine sans et avec AMF
III.8.1. Comparaison des résultats de la structure évidée sans et avec AMF
III.8.2. Comparaison des résultats entre la Structure pleine et la structure évidée avec AMF
III.9. Conclusion
Chapitre IV : Etude du comportement des AMF sur le minaret de Dolmabahçe
IV.1. Introduction
IV.2. Historique
IV.3. Caractéristiques géométriques
IV.4. Caractéristiques mécaniques
IV.5. Hypothèses de modélisation
IV.6. Étapes de modélisation
IV.7. Etude modale du minaret
IV.8. Analyse transitoire du minaret
IV.8.1. Points de mesure
IV.8.2. Modélisation
IV.8.3. Interprétation des résultats
IV.9. Conclusion
Conclusions et Perspectives
Références bibliographiques
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