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Étude des propriétés mécaniques en cisaillement de la glace atmospherique

Bilodeau, Julien. (1996). Étude des propriétés mécaniques en cisaillement de la glace atmospherique. Mémoire de maîtrise, Universite du Quebec a Chicoutimi.

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Résumé

Alors que des recherches ont déjà été effectuées sur la résistance en traction et en compression de la glace atmosphérique (givre et verglas), il n'existe à peu près pas de valeurs connues pour la résistance au cisaillement de ce type de glace. La connaissance de ces valeurs et des modèles de comportement rhéologique en cisaillement est nécessaire pour l'analyse du comportement des structures sous l'effet du givre et du verglas, pour la détermination des critères de rupture applicables à la glace atmosphérique et pour l'évaluation des contraintes admissibles dans ce matériau pour les domaines fragile et ductile.

L'objectif de cette recherche est de développer une méthode d'évaluation de la résistance au cisaillement de la glace atmosphérique en fonction des conditions météorologiques de formation et du taux de déformation, à partir d'échantillons formés en laboratoire. L'objectif premier est de déterminer les propriétés mécaniques du matériau; cependant, la diversité des essais de cisaillement effectués au cours de la présente étude a été également planifiée pour évaluer les influences des différents paramètres dimensionnels de l'appareil et de l'éprouvette sur les mesures obtenues. C'est pourquoi un seul type de glace a été utilisé pour la fabrication des éprouvettes.

Les échantillons de glace atmosphérique sont formés en laboratoire dans des conditions préétablies et contrôlées. Les échantillons obtenus sont plus adéquats que ceux formés dans des conditions atmosphériques naturelles. La glace, du givre dur dont la masse volumique est d'environ 850 kg/m3, est formée à partir de gouttelettes surfondues projetées sur un obstacle (le collecteur) qui est placé dans une soufflerie en circuit ouvert. Les valeurs des paramètres atmosphériques de formation utilisés sont de -14°C pour la température de l'air dans la chambre froide, 16 m/s pour la vitesse de l'air dans la soufflerie, 1,2 g/m3 pour la teneur en eau de l'air et de 40 um pour le diamètre volumique médian des gouttelettes. Les éprouvettes sont usinées à 68 ou 70 mm de diamètre et à 8,10 ou 12 mm d'épaisseur sur un tour parallèle. Un groupe de 6 éprouvettes peut être produit sur le même manchon (glace et collecteur). Finalement, le collecteur est démonté pour permettre la manipulation des éprouvettes.

L'évaluation de la résistance au cisaillement est effectuée par une méthode de poinçonnage en utilisant une presse mécanique à vitesse de déplacement contrôlée. L'appareil de cisaillement utilisé a été conçu de façon à permettre le confinement total ou partiel de l'échantillon de glace. Dans ces deux modes de chargement, les 213 ruptures des éprouvettes de glace ont été effectuées à des taux de déformation (y) variant de 0,0001 à 40 sec-1. Des vitesses de déplacement du poinçon de 0,002 à 400 mm/min ont été utilisées pour obtenir ces taux de déformation.

En confinement partiel, les contraintes maximales de rupture passent par un maximum dans la zone de transition ductile-fragile du matériau. Elles atteignent 1,5 MPa au taux de déformation de 0,03 sec-1. En confinement total, la contrainte de rupture croît avec le taux de déformation et atteint 8 MPa pour le taux de 40 sec1.

Quoiqu'il soit utilisé pour l'identification des essais, il a été possible de démontrer que la valeur du taux de déformation, déterminé par la relation entre le déplacement du poinçon et le jeu radial entre ce dernier et la matrice, ne représente pas le comportement réel de l'éprouvette. Il a été constaté que la valeur du module de cisaillement variait de façon presque proportionnelle avec celle du jeu, ce qui conduit à l'inexactitude du modèle de déformation utilisé. Cette relation existe entre le jeu et les valeurs du module puisque les dimensions utilisées n'ont pas eu d'influence sur les taux de montée en charge de l'éprouvette. Cependant, la dimension du jeu occasionne une légère baisse de la valeur des contraintes maximales lorsque sa dimension est supérieure à 2 mm.

En utilisant le modèle de déformation énoncé dans cette étude, la valeur moyenne du module de cisaillement est 2,2 MPa. En se servant de la même méthode que Lavrov (1969) pour déterminer la déformation appliquée à l'éprouvette, les valeurs de ce module se situent entre 12 et 73 MPa pour les essais en confinement total et entre 7 et 40 MPa pour ceux en confinement partiel.

Finalement, ces travaux ont permis de démontrer que la valeur de la rigidité de cisaillement brute de l'éprouvette de glace variait proportionnellement avec celle de la contrainte maximale. Cette rigidité représente le taux de montée en charge de la contrainte par mètre de déplacement du poinçon. Elle atteint 7,5 GPa/m au taux de déformation de 40 sec-1 pour les essais effectués en confinement total et 5 GPa/m dans la zone de transition pour ceux effectués en confinement partiel.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:1996
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ressources et systèmes
Nombre de pages:10194
ISBN:1412306973
Identifiant unique:10.1522/1525784
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie mécanique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Druez, Jacques
Mots-clés:Cisaillement (Mécanique), Verglas, Résistance des matériaux, Shear (Mechanics), Glaze (Meteorology), Strength of materials, THESE, ATMOSPHERE, ATMOSPHERIQUE, CISAILLEMENT, GIVRE, GLACE, MECANIQUE, PROPRIETE, RESISTANCE
Déposé par:Bibliothèque Paul-Émile-Boulet
URL:http://bibliotheque.uqac.ca
Déposé le:01 janv. 1996 07:34
Dernière modification:03 juin 2011 10:03
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