Crack analysis in wood under mechanical and climatic loadings : Contribution of Acoustic Emission
Analyse du Processus de Fissuration dans le Bois sous Sollicitations Mécanique et Climatique : Apports de l'Emission Acoustique
Résumé
The aim of this thesis is to consider what Acoustic Emission (AE) can provide as a tool for diagnosis and assessment of wood structures and works. We applied this tool and developed methods for tracking crack propagation. If our intention is using AE for the in-situ monitoring, we have to do experiments in laboratory to validate the methods developped. Loading tests under imposed displacement were conducted on Douglas samples (DCB constant inertia) subjected to a loading in mode I, for two levels of moisture content. In tandem of the acoustic emission emission system, an image acquisition system was used to record crack propagation on the main faces of the samples.First, we showed that the cracking kinetics correlates with the acoustic energy of the recorded signals. A global analysis, with unfiltered data, provides a good indication of the evolution of the damage within a structure. Then by performing a first data processing, by taking into account the acoustic events and by using correction curves of localization and amplitude, we were able to determine the position of one (or more) peak(s) of acoustic activity. The evolution curve of the position of this (these) peak(s) of activity gives a result similar of the crack tip evolution obtained with the digital image acquisition system. By this way we were able to estimate an average restoration level of critical energy Gc. In the purpose of making in situ applications, we have implemented this method during a creep test on a specimen with variable inertia. A previously loaded sample was placed to a relative humidity variation - from a humid atmosphere to a dry atmosphere. Only spot measurements of the crack tip position has been made. AE was able to take over when visual statements were absent. AE was also able to provide additional information on the initiation and propagation of cracks over a long term monitoring. The method for detecting peaks of activities by AE shows that acoustic events with high amplitude are located on both side of the crack tip obtained by imaging.Secondly, by comparing with the methods developed in composite materials, wood could be considered as such, we were able, by joint use of statistical tools, electronic imaging (SEM) and analysis of waveforms, to identify failure mechanisms which were present during testing. After processing data obtained on failure specific mode test (tensile, bending and shear), four clusters of events have been highlighted. By studying their respective waveforms and signal caracteristics, these families have been associated with the rupture of fiber, matrix cracking, debonding and delamination such as those found in composites. The study of SEM images made from owr samples has confirmed the presence of a multitude of mechanisms on the cracking path of the wood samples. This confirms the reasonableness of results obtained. From a quantitative perspective, two major failure mechanisms stand out: the breaking of fibers and matrix cracking. The evolution of these indicators may be a precursor to the ruin of a structure.The work undertaken in this thesis is a step in the use of AE in monitoring structures and wooden structures. It suggests other purposes for the use of AE in wood. We could imaging using AE in order to study the process zones by using mTDCB samples.
L’objectif de ce travail de thèse est d’envisager les apports de l’Emission Acoustique (EA) en tant qu’outil de diagnostic et de surveillance des structures et ouvrages en bois. Nous avons appliqué cet outil et développé des méthodes de suivi de la fissuration. Si l’objectif affiché est l’utilisation de l’EA pour de la surveillance in-situ, un passage par des manipulations en laboratoire a été nécessaire pour valider les méthodes mises en œuvre. Des essais de chargement à déplacement imposé ont été réalisés sur des éprouvettes de Douglas (DCB à inertie constante) soumises à un chargement en mode I, pour deux teneurs en eaux distinctes. En parallèle du système d’acquisition acoustique, un système d’acquisition d’images a été utilisé pour suivre l’évolution de la fissuration sur les faces principales des éprouvettes.Dans un premier temps, nous avons constaté que la cinétique de fissuration était corrélée à l’énergie acoustique des signaux enregistrés. Une écoute globale, sans filtration des données, fournit une indication sur l’évolution de l’endommagement d’une structure.En effectuant un premier traitement des données, en considérant les évènements acoustiques et en utilisant des courbes de correction de localisation et d’amplitude des signaux, nous avons pu déterminer la position d’un (ou plusieurs) pic(s) d’activité acoustique. La courbe d’évolution de la position de ce(s) pic(s) d’activité donne un résultat similaire à celle de la pointe de fissure obtenue avec le système d’imagerie. Nous avons ainsi pu estimer un taux de restitution d’énergie moyen Gc. Dans le but de passer à des applications in situ, nous avons mis en œuvre cette méthode lors d’un essai de fluage sur une éprouvette à inertie variable. L’EA a su prendre le relais lorsque les relevés visuels étaient absents. L’EA a aussi pu fournir des informations complémentaires sur l’initiation et la propagation de la fissuration et ce, sur une durée surveillance longue.La méthode de détection des pics d’activités par EA montre que les évènements acoustiques de forte amplitude sont localisés de part et d’autre de la pointe de fissure obtenue par imagerie. Dans un deuxième temps, en effectuant un parallèle avec les méthodes développées dans les matériaux composites, le bois pouvant y être assimilé par certains aspects, nous avons pu, par une utilisation conjointe des outils statistiques, de l’imagerie électronique (MEB) et de l’analyse des formes d’ondes, identifier les mécanismes de ruine présents lors des essais.Après un travail de filtration des données obtenues sur des essais à mode de ruine choisi (traction, flexion et cisaillement), quatre familles d’évènements ont pu être mis en évidence. Par l’étude de leurs formes d’ondes respectives, ces familles ont pu être associées à de la rupture de fibre, de la fissuration de matrice, de la décohésion et du délaminage telles qu’on les retrouve dans les matériaux composites. L’étude au MEB a confirmé qu’une multitude de mécanismes étaient présents sur les plans de fissuration des éprouvettes et la vraisemblance des résultats obtenus.D’un point de vue quantitatif, deux mécanismes de ruine principaux ressortent : la rupture de fibres et la fissuration matricielle. Il s’agit là d’indicateurs dont l’évolution peut constituer un indicateur, précurseur à la ruine d’un ouvrage. Le travail effectué dans cette thèse constitue un pas dans l’emploi de l’EA dans la surveillance des structures et des ouvrages en bois et laisse entrevoir d’autres emplois notamment en mécanique de la rupture et dans l’étude des zones d’élaboration.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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