Simulation of time-dependent crack propagation in a quasi-brittle material under relative humidity variations based on cohesive zone approach : application to wood

This thesis is dedicated to the simulation of the fracture behavior of wood under long-termloading and variable relative humidity conditions. Indeed, wood is well-known to be a highlyhygroscopic material in so far as its mechanical and fracture properties are very dependenton moisture. Moreover, the stability of an existent crack in a structural element can bestrongly affected by the sudden variations of relative humidity (RH) and can lead tounexpected failure of the element.The thermodynamic approach proposed in this thesis includes the mechano-sorptive effect inthe analytical expression of the deformation, by operating a decoupling of the strain in amechanical part and a mechano-sorptive part in material. Moreover, the quasi-brittle fractureof wood is here simulated from a cohesive zone model whose cohesive parameters arefunctions of the moisture in order to mimic the moisture-dependent character of the fractureproperties. On this basis, an increment formulation allows the integration of the effect ofsudden RH variations on the fracture process zone (cohesive zone) by introducing anadditional stress field along this zone. As a function of the RH variation, this additional stressfield depends on not only the stress state and the crack opening along the cohesive zone butalso the material moisture ahead of the zone (undamaged material). In the finite elementanalysis, an algorithmic tangent operator is used to solve the non-linear problem combiningmechano-sorptive model and cohesive zone model including the effect of sudden RHvariations.The simulation of a notched structural element submitted to a constant load and cyclic RHvariations exhibits a strong coupling between the mechano-sorptive behavior and the effectof the RH variations on the fracture process zone (FPZ). This coupling results in an increaseof the crack propagation kinetic and leads to a precocious failure compared to those obtainedfrom the mechano-sorptive model or from the effect of sudden RH variations on the FPZ.Moreover, the coupling between the mechano-sorptive model and the effect of sudden RHvariations on the FPZ which cannot be predicted by a simple superposition of both effects,showing the interest of such a numerical approach in order to describe the complex behaviorof wood structural elements submitted to variable climatic conditions.Cette thèse est consacrée à la simulation du comportement à la rupture de bois sous des chargements à long terme et sous des conditions d'Humidité Relatives (HR) de l'air variables. Il est connu que le bois est un matériau fortement hygroscopique, ses propriétés mécaniques et de rupture sont en effet très dépendantes de sa teneur en eau. En outre, la stabilité d'une fissure existante dans un élément structural peut être fortement influencée parles variations, en particulier brusques, d'humidité relative qui peut conduire à la rupture inattendue de l'élément.L'approche thermodynamique proposée intègre l'effet de mécanosorption dans l'expression analytique de la déformation, en découplant les déformations mécaniques et celles dues au comportement mécanosorptif du matériau. En outre, la rupture quasi-fragile du matériau boisest traduite par un modèle de zone cohésive dont les paramètres de cohésion sont fonctions de la teneur en eau afin de simuler l’effet de l'humidité sur les propriétés de rupture. Sur cette base, une formulation incrémentale permet l'intégration de l'effet des variations soudaines d’humidité relative (autrement dit, le choc hydrique) sur la zone d’élaboration(zone cohésive) en introduisant un champ de contraintes supplémentaires le long de cette zone. Fonction de la variation de HR, ce champ de contraintes supplémentaires dépend de l'état de contrainte et de l'ouverture de la fissure le long de la zone cohésive, mais également de l'humidité en pointe de fissure (matériau non endommagé). Dans l'analyse par éléments finis, un opérateur tangent algorithmique est utilisé pour résoudre le problème non linéaire en combinant le modèle de mécanosorption et le modèle de zone cohésive et en intégrant l'effet du choc hydrique.La simulation du comportement d'une éprouvette entaillée soumise à un chargement constant et à des variations cycliques de HR montre un fort couplage entre le comportement mécanosorptif et l'effet du choc hydrique HR sur la zone d’élaboration. Ce couplage entraîne une augmentation de la propagation des fissures et conduit à une fissuration plus précoce par rapport à celle obtenue à partir du modèle de mécanosorption seul ou à partir du modèle de zone cohésive en intégrant l'effet des variations soudaines de HR. En outre, le couplage entre le modèle mécanosorptif et le modèle de zone cohésive en intégrant l'effet du chochydrique montre l'intérêt d'une telle approche numérique pour décrire le comportement complexe des éléments de charpente en bois soumis à des conditions climatiques variables,comportement qui ne peut être prédit par une simple superposition des deux modélisations