Titre de l'écran-titre (visionné le 28 novembre 2023) / Les ponts en aluminium modernes sont composés de plusieurs longues extrusions multi-vide soudées. Ces joints soudés sont particulièrement vulnérables à la rupture en fatigue car ils sont susceptibles de se présenter comme des zones d'initiation de fissures en fatigue sous l'effet du chargement cyclique du trafic. La fatigue est un état limite critique dans la conception de nombreux ponts de courte à moyenne portée. Traditionnellement, les techniques de soudage conventionnelles par fusion ont été utilisées pour fabriquer les tabliers de ponts en aluminium. Ces techniques ont été connues par produire certains défauts métallurgiques et une variété de défauts volumiques lorsqu'ils sont utilisés pour des structures en aluminium. Ces défauts ont un effet significatif sur la résistance en fatigue des joints soudés. Cependant, une technologie de soudage « relativement » nouvelle connue comme soudage par friction-malaxage (FSW) a émergé et a été suggérée pour être utilisée dans des projets d'infrastructure impliquant de l'aluminium. Cette approche innovante de soudage a montré qu'elle produisait une qualité de soudure améliorée et offrait un meilleur contrôle des défauts de soudure par rapport aux méthodes de soudage traditionnelles. Pourtant, son utilisation est encore limitée en raison de l'insuffisance de directives dans les codes et normes actuels. Des facteurs clés tels que la résistance en fatigue des joints FSW et les critères complets de contrôle de la qualité, y compris les niveaux de tolérance pour les défauts couramment rencontrés, restent non standardisés. De plus, les modèles numériques utilisés pour la conception en fatigue des ponts en aluminium sont rares. Comme les alliages d'aluminium extrudés sont de plus en plus utilisés pour la construction de ponts, il existe un besoin croissant de modèles numériques robustes capables de prédire avec précision le comportement en fatigue des tabliers de pont en aluminium extrudé soudés sous diverses conditions de chargement. Cette thèse doctorale vise à caractériser le comportement en fatigue des configurations FSW les plus récentes dans l'industrie des tabliers de pont, en particulier les joints FSW en bout à bout à recouvrement. Le projet cherche également à établir des niveaux de tolérance pour les défauts d'ajustement associés aux tabliers de ponts et à étudier leurs effets sur les performances métallurgiques et en fatigue des joints FSW en bout à bout à recouvrement. Enfin, la thèse vise à développer des modèles numériques capables de prédire la durée de vie à en fatigue d'échantillons FSW en bout à bout à recouvrement à grande échelle extraits de vrais tabliers de ponts en aluminium sous diverses configurations de chargement. Des essais expérimentaux et une analyse numérique ont été menés pour étudier le comportement en fatigue des joints FSW en bout à bout à recouvrement utilisés dans les tabliers de ponts en aluminium. Des essais de fatigue à grande échelle ont été conçues pour provoquer la rupture en fatigue dans le joint FSW des échantilons constitués d'une paire d'extrusions utilisées dans les tabliers de ponts. Les résultats expérimentaux ont indiqué que la rupture s'est initiée à partir du défaut de la remontée de surface à la pointe de l'interface dans la racine de la soudure et s'est propagée jusqu'au point d'application de la charge. Les simulations numériques ont évalué les données expérimentales de fatigue avec l'approche de la contrainte effective de concentration (ENS) recommandée par l'Institut International International de Soudage (IIW). Les résultats ont montré que la courbe de conception en fatigue IIW FAT-71 a évalué de manière conservatrice les données de fatigue. Les défauts d'ajustement, y compris les écarts et les décalages d'outil, ont été simulés et fabriqués expérimentalement, et leurs niveaux de tolérance ont été déterminés en fonction d'un processus de préqualification par étapes en utilisant les critères d'acceptation du code de contrôle de la qualité du FSW. De plus, une condition de soudage où la direction de rotation de l'outil FSW a été inversée, a été simulée expérimentalement pour déterminer quelle direction de rotation fournit une meilleure résistance en fatigue pour les joints FSW en bout à bout à recouvrement. Des échantillons de fatigue FSW en bout à bout à recouvrement à grande échelle présentant ces conditions de soudage ont été fabriqués et testés en fatigue. Les données de fatigue de ces essais ont été analysées statistiquement et comparées, ainsi qu'une analyse numérique pour enquêter sur les différences de résistance en fatigue entre les conditions de soudage. Les résultats ont révélé que le défaut de la remontée de surface a joué un rôle critique dans les mécanismes de rupture en fatigue et la résistance en fatigue des joints FSW en bout à bout à recouvrement, l'absence de défaut de remontée de surface conduisant à des améliorations significatives de la résistance en fatigue. Un cadre numérique pour prédire la durée de vie en fatigue des échantillons FSW en bout à bout à recouvrement a été développé, basé sur un modèle d'éléments finis. Ce cadre a d'abord prédit avec précision la localisation et la direction de l'initiation de l'amorçage de fatigue en utilisant la théorie des distances critiques (TCD) avec à la fois la méthode de point (PM) et la méthode de ligne (LM). Ensuite, en fonction de la localisation estimée de l'initiation de l'amorçage de fatigue, la durée de vie en fatigue est prédite en utilisant la TCD et les modèles simplistes de mécanique de la rupture élastique linéaire (LEFM). L'efficacité du cadre numérique a été vérifiée en comparant ses prédictions avec des données expérimentales de fatigue provenant de essais de fatigue réalisés sur des échantillons sous différentes configurations de chargement, démontrant un accord raisonnable entre les prédictions et les résultats expérimentaux. / Modern aluminium bridge decks are made from welding several long multi-void extrusions. These welded joints are particularly vulnerable to fatigue failure as they are likely to serve as fatigue crack initiation zones under the effect of cyclic traffic loading. Fatigue is a critical limit state in the design of many short to medium bridges. Traditionally, conventional fusion welding techniques have been used to fabricate aluminium bridge decks. These techniques have been known to produce metallurgical defects and a variety of volumetric defects when used for aluminium structures. These defects have significant effect on the fatigue resistance of welded joints. However, a relatively new welding technology known as friction stir welding (FSW) has emerged and has been suggested for use in infrastructure projects involving aluminium. This innovative welding approach was shown to produce an enhanced weld quality and provide superior control over weld defects to the traditional welding methods. Yet, its use is still limited due to insufficient guidelines in current codes and standards. Key factors such as the fatigue strength of FSW joints and comprehensive quality control criteria, including tolerance levels for commonly occurring defects, remain unstandardized. Furthermore, the numerical models used for fatigue design in aluminium bridges are scarce. As extruded aluminium alloys are increasingly used for bridge construction, there is a growing need for robust numerical models capable of accurately predicting the fatigue behaviour of welded extruded aluminium bridge decks under various load conditions. This doctoral thesis aims to characterize the fatigue behaviour of the most recent FSW configurations in the bridge deck industry, specifically butt-lap FSW joints. The project also seeks to establish tolerance levels for fit-up defects associated with bridge decks and investigate their effects on the metallurgical and fatigue performance of butt-lap FSW joints. Lastly, the thesis aims to develop numerical models capable of predicting the fatigue life of FSW aluminium bridge decks under various loading configurations. Experimental tests and numerical analysis were conducted to study the fatigue behaviour of butt-lap FSW joints used in aluminium bridge decks. Large-scale fatigue experiments were designed to provoke fatigue failure in the FSW joint of specimens consisting of a pair of extrusions used in bridge decks. Experimental results indicated that failure initiated from the hooking defect at the tip of the interface in the weld root and propagated to the load application point. Numerical simulations assessed the experimental fatigue data with the effective notch stress (ENS) approach as recommended by the International Institute of Welding (IIW). The results showed that the IIW FAT-71 fatigue design curve conservatively assessed the fatigue data. Fit-up defects, including gaps and tool offsets, were simulated and fabricated experimentally, and their tolerance levels were determined based on a stage prequalification process using FSW quality control code acceptance criteria. Additionally, a welding condition where the FSW tool rotational direction was reversed, was experimentally simulated to investigate which rotational direction provides better fatigue strength for butt-lap FSW joints. Large-scale butt-lap FSW fatigue specimens featuring these welding conditions were fabricated and fatigue-tested. The fatigue data from these tests were statistically analyzed and compared, along with numerical analysis to investigate differences in fatigue strength between welding conditions. Results revealed that the hooking defect played a critical role in fatigue failure mechanisms and fatigue strength of butt-lap FSW joints, with the absence of the hooking defect leading to significant improvements in fatigue strength. A numerical framework for predicting the fatigue life of butt-lap FSW specimens was developed, based on finite element analysis. This framework first accurately predicted the fatigue initiation location and direction using the theory of critical distances (TCD) with both the point method (PM) and line method (LM). Depending on the estimated fatigue initiation location, the fatigue life is then predicted using TCD and linear elastic fracture mechanics (LEFM) models. The numerical framework's efficiency was verified by comparing its predictions with experimental fatigue data from fatigue tests conducted on specimens under different loading configurations, demonstrating reasonable agreement between the predictions and experimental results.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/130244 |
| Date | 01 December 2023 |
| Creators | Trimech, Mahmoud |
| Contributors | Annan, Charles-Darwin, Walbridge, Scott S. |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xvii, 169 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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