Formulation du modèle CSCM

Le CSCM est un modèle constitutif de béton à endommagement élastoplastique capable de prendre en compte la sensibilité du béton au taux de déformation. L’enveloppe de rupture de matériau est constituée de deux surfaces : une surface de rupture et une surface de durcissement. Ces surfaces sont caractérisées par une transition continue et maintenue entre elles. Les caractéristiques principales du modèle sont :

• trois tenseurs invariables de contrainte reliés aux surfaces. • surface de durcissement qui se contracte et se dilate.

• endommagement plastique avec adoucissement et érosion des éléments. • suivi de l’endommagement.

• effet du taux de déformation sur la résistance du béton.

3.2.1 Critère de plasticité

La forme générale de la surface élastique est présentée à la Figure 3.1. La surface lisse a pour but d’éliminer les difficultés numériques pouvant subvenir lorsqu’il y une transition entre les surfaces de rupture. Ce type de modèle est souvent référencé dans la littérature comme des « smooth cap model » ou des « continuous surface cap model ».

Figure 3.1 :Forme générale de la surface élastique du CSCM en trois dimensions et en vue de coupe de la surface (USBR 2014).

La fonction de l’enveloppe de rupture du CSCM a pour variable trois tenseurs constants de contrainte (J1, J'2, J'3) et le paramètre de densification κ, comme présenté par l’équation suivante :

𝑓( 𝐽1, 𝐽2′, 𝐽3′, 𝜅 ) = 𝐽2′ − ℜ2𝐹𝑓2𝐹𝑐 (11)

Le paramètre 𝐹_𝑓2 _{représente l’enveloppe de rupture en cisaillement, 𝐹}

𝑐 contrôle la surface de

densification et ℜ2 _{est un facteur de réduction défini comme le « Rubin three-invariant » (Rubin}

1991).

3.2.2 Effet du taux de déformation

La prise en compte de l’effet du taux de déformation dans la formulation du modèle CSCM augmente la résistance du matériau en fonction de l’intensité du taux de déformation tel qu’illustré à la Figure 3.2. La formulation de l’effet du taux de déformation est appliquée sur certains paramètres du modèle comme le critère de plasticité, le critère d’endommagement et l’énergie de fissuration.

Figure 3.2 : Courbe de DIF par défaut du modèle CSCM (Murray 2007).

Le modèle CSCM utilise la théorie de viscoplasticité dans la formulation de l’effet du taux de déformation. Cette formulation est basée sur Simo et al. (1987b) qui a utilisé la formulation de Duvaut-Lions. L’algorithme de Simo and Ju (1987b) utilise seulement un paramètre pour prendre en compte l’effet du taux de déformation, désigné par . Ce paramètre est appelé le coefficient de fluidité et c’est un paramètre spécifié par l’utilisateur. L’algorithme de viscoplasticité implanté

dans le modèle est très simple. En effet, à chaque pas de temps, l’algorithme effectue une interpolation entre la contrainte initiale et la contrainte non visqueuse (sans effet du taux de déformation) pour pouvoir définir la contrainte viscoplastique (avec effet du taux de déformation), comme montré par l’équation 12. L’interpolation dépend de la valeur du coefficient de fluidité, , et du pas de temps, Δt.

𝜎_𝑖𝑗𝑣𝑝 = (1 − 𝛾)𝜎_𝑖𝑗𝑇+ 𝛾𝜎_𝑖𝑗𝑃 𝛾 = ∆𝑡/𝜂

1+ ∆𝑡/𝜂 (12)

Le coefficient de fluidité a été modifié par le développeur pour pouvoir calibrer l’effet du taux de déformation pour des taux de déformation élevés. Celle-ci est définie à l’aide de deux paramètres d’entrée. La définition du paramètre 𝜂 est présentée à l’équation 13.

𝜂 = 𝜂0𝑡

𝜀 ̇𝑁𝑡 (13)

Les deux paramètres d’entrée à spécifier pour 𝜂 sont 𝜂_0𝑡 et 𝑁_𝑡. L’utilisateur peut facilement calibrer la courbe de DIF en traction du matériau à l’aide de ces deux paramètres.

L’influence de taux de déformation sur la résistance du matériau CSCM en traction et en compression est présentée par les équations suivantes :

𝑓_𝑡′𝐷𝑦𝑛 = 𝑓_𝑡′_{+ 𝐸𝜀̇𝜂 (14)}

𝑓_𝑐′𝐷𝑦𝑛 = 𝑓𝑐′+ 𝐸𝜀̇𝜂 (15)

Il est possible d’observer que la résistance dynamique (viscoplastique) est égale à la résistance statique plus une sur résistance dynamique égale à 𝐸𝜀̇𝜂 ou E est le module d’élasticité et 𝜀̇ est le taux de déformation.

Lorsque l’effet du taux de déformation est modélisé par viscoplasticité, l’utilisateur a l’option d’activer l’augmentation de l’énergie de fissuration en fonction du taux de déformation. Ceci est effectué à l’aide du paramètre REPOW. L’équation 16 présente la relation entre l’énergie de fissuration et le taux de déformation implantée dans le modèle CSCM.

G_𝑓𝑣𝑝 = G_𝑓(1 + 𝐸𝜀𝜂̇

𝑟𝑠_√𝐸)

𝑟𝑒𝑝𝑜𝑤

(16) Ici 𝐺𝑓 est spécifié par l’utilisateur et 𝐺𝑓

𝑣𝑝

augmente proportionnellement au taux de déformation appliqué. Le paramètre d’entrée 𝑟𝑠 _{désigne l’endommagement initial du matériau avant l’activation}

du taux de déformation. Une valeur de REPOW égale à 1 est recommandée par le développeur. Quand REPOW est égal à 1, l’augmentation de l’énergie de fissuration en considérant le taux de déformation est approximativement proportionnelle à l’augmentation de la résistance du matériau lorsque celle-ci est activée. Une valeur de REPOW égale à zéro désactive l’effet du taux de déformation sur l’énergie de fissuration. Celle-ci demeure constante, peu importe le taux de déformation appliqué.

3.2.3 Endommagement

La formulation de l’endommagement du modèle CSCM prend en compte l’adoucissement d’écrouissage et la réduction du module d’élasticité. L’adoucissement d’écrouissage est la réduction de la résistance durant une élongation progressive après que la résistance ultime a été atteinte. La réduction du module d’élasticité diminue durant les cycles de déchargement et de chargement ce qui a été observé pour les essais cycliques de chargement. La formulation de l’endommagement est basée sur les études menées par Simo and Ju (1987a), illustrée à l’équation 17. Le processus de l’adoucissement d’écrouissage et la réduction du module d’élasticité du modèle CSCM sont illustrés à la Figure 3.3.

𝜎𝑣𝑝 _{= 𝜎}𝑑_{∙ (1 − 𝐷) (17)}

Ici D est un scalaire de l’endommagement qui transforme le tenseur de contrainte sans endommagement, désigné par 𝜎𝑑 , en tenseur de contrainte endommagé, désigné par 𝜎𝑣𝑝. Le niveau d’endommagement D varie entre 0 (sans endommagement) à 1 (endommagement complet). De ce fait, 1-D est un facteur de réduction qui permet d’évaluer l’endommagement cumulé du modèle.

Figure 3.3 : Démonstration du processus d’endommagement en traction du modèle CSCM (Murray 2007)