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Module Geomechanics

Etendre les analyses structurelles aux applications géotechniques

L'analyse des tunnels, des excavations, de la stabilité des pentes et des structures de rétention nécessite des lois de comportement matériau non-linéaires adaptées aux applications géotechniques. Le module Geomechanics, un add-on du module Structural Mechanics, intègre des lois de comportement matériau pour modéliser la déformation, la plasticité, le fluage et la rupture dans les sols, le béton et les roches. Le module comprend également des lois de comportement matériau non-linéaires standard pour décrire la plasticité des métaux selon les critères de von Mises et de Tresca. Ces lois de comportement matériau viennent enrichir les fonctionnalités d'analyse de sécurité et de défaillance structurelle présentes dans le module Structural Mechanics.

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Un modèle de poutre rectangulaire en béton montrant la contrainte en palette de couleur Arc-en-ciel sur les barres d'armature situées en haut et en bas.
Un modèle 3D de poutre en béton montrant l'endommagement au centre.

Des matériaux géomécaniques pour la modélisation multiphysique

La possibilité de modéliser des matériaux géomécaniques vient compléter les analyses structurelles déjà disponibles dans le module Structural Mechanics. Afin de prendre en compte toute la complexité du monde réel dans les analyses géotechniques, des effets multiphysiques peuvent être inclus en combinant les caractéristiques et les fonctionnalités du module Geomechanics avec d'autres modules de la suite logicielle COMSOL. Par exemple, il est possible de modéliser l'écoulement en milieu poreux, la poroélasticité, le transport de solutés et le transfert de chaleur avec le module Subsurface Flow.

Lois de comportement matériau du module Geomechanics

Les nombreuses lois de comportement matériau disponibles sont présentées ci-dessous, avec des captures d'écran illustrant leur mise en oeuvre dans le logiciel.

Vue rapprochée des paramètres de plasticité du sol et d'un modèle de stabilité de pente dans la fenêtre graphique.

Plasticité des sols

Le module Geomechanics permet de décrire des lois de comportement matériau adaptées aux sols présentant un comportement plastique ou élastoplastique. Ce modèle de matériau peut être utilisé avec des matériaux élastiques linéaires et non-linéaires, combiné entre autres à de l'amortissement, de la dilatation thermique ou la modélisation de fibres. Les lois de comportement matériau suivantes, adaptées aux sols, sont disponibles:

  • Mohr–Coulomb
  • Drucker–Prager
  • Matsuoka–Nakai
  • Lade–Duncan
  • Cap
    • Elliptique
    • Planaire
    • Ecrouissage
  • Coupure
    • Contrainte moyenne
    • Rankine
  • Plasticité non locale
    • Gradient implicite
Vue rapprochée des paramètres du béton et d'un modèle de poutre dans la fenêtre graphique.

Béton et roche

Le module Geomechanics permet de définir des lois de comportement matériau basées sur des critères de rupture représentatifs du béton et de la roche, décrivant typiquement une rupture due à une contrainte de traction. Ces lois de comportement matériau peuvent être utilisés avec les fonctions Matériau élastique linéaire et Matériau élastique non-linéaire. Les lois de comportement suivantes, adaptées aux matériaux type béton et aux roches sont disponibles:

Béton

  • Ottosen
  • Bresler-Pister
  • William-Warnke
  • Coupure en traction

Roche

  • Hoek-Brown original
  • Hoek-Brown généralisé
  • Coupure en traction
Vue rapprochée des paramètres de dommages et d'un modèle de poutre crantée dans la fenêtre graphique.

Endommagement

La déformation sous l'effet d'un chargement mécanique de matériaux quasi-fragiles, tels que le béton ou la céramique, se caractérise par une première phase de déformation élastique. Celle-ci est suivie par une phase de rupture non-linéaire, dès lors qu'un niveau critique de contrainte ou de déformation est dépassé. Lorsque cette valeur critique est atteinte, les fissures se développent et se propagent jusqu'à rupture du matériau. L'apparition et la croissance des fissures jouent un rôle important dans la rupture des matériaux fragiles, et il existe un certain nombre de théories pour décrire ce comportement. Les modèles d'endommagement suivants sont disponibles:

  • Endommagement scalaire
    • Endommagement de Mazars pour le béton
  • Critère de déformation équivalente
    • Rankine
    • Smooth Rankine
    • Norme du tenseur des déformations élastiques
    • Défini par l'utilisateur
  • Champ de phase, endommagement
  • Régularisation
    • Bande de fissuration
    • Gradient implicite
    • Régularisation visqueuse
    • Endommagement de Mazars pour le béton
Vue rapprochée des paramètres de matériau élastoplastique du sol et un tracé 1D dans la fenêtre graphique.

Elastoplasticité des sols

La caractéristique Matériau élastoplastique pour les sols est utilisée pour modéliser des relations contrainte–déformation non linéaires, et cela même dans le cas de déformations infinitésimales. Les lois de comportement matériau suivantes sont disponibles pour les sols:

  • Cam–Clay modifié
  • Cam–Clay structuré modifié
  • Extended Barcelona Basic
  • Hardening Soil
  • Plasticité en grande déformation
  • Plasticité non-locale
    • Gradient implicite
Vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud de Loi de comportement matériau élastoplastique sélectionné et un modèle de striction de barre dans la fenêtre graphique.

Matériaux ductiles élastoplastiques

En plus des modèles élastoplastiques pour les sols, le module Geomechanics donne accès aux modèles élastoplastiques suivants pour les matériaux ductiles tels que les métaux:

  • von Mises
  • Tresca
  • Plasticité définie par l'utilisateur
  • Plasticité en grande déformation
  • Écrouissage isotrope et cinématique
  • Plasticité non-locale
    • Gradient implicite

D'autres lois de comportement de matériaux élastoplastiques sont disponibles dans le module Nonlinear Structural Materials.

Une vue rapprochée des réglages de Matériau élastique non-linéaire et un graphique 1D.

Élasticité non-linéaire

Contrairement aux matériaux hyperélastiques, où la relation contrainte-déformation devient significativement non-linéaire pour des déformations modérées à grandes, les matériaux élastiques non-linéaires présentent une relations contrainte-déformation non-linéaire même pour des déformations infinitésimales. Les modèles d'élasticité non-linéaire suivants sont disponibles:

  • Ramberg-Osgood
  • Loi hyperbolique
  • Hardin-Drnevich
  • Duncan-Chang
  • Duncan-Selig
  • Défini par l'utilisateur

Des lois de comportement matériau supplémentaires sont disponibles avec le module Nonlinear Structural Materials.

Vue rapprochée des paramètres de fluage et d'un modèle de sphère creuse en 3D dans la fenêtre graphique.

Fluage

Le fluage est une déformation inélastique dépendante du temps qui se produit lorsqu'un matériau est soumis à une contrainte (généralement bien inférieure à la limite d'élasticité) à des températures suffisamment élevées. Le module Geomechanics permet à l'utilisateur de définir ses propres lois de fluage, ainsi que d'entrer ses propres expressions de vitesse de déformation inélastique.

Des lois de comportement matériau supplémentaires sont disponibles avec le module Nonlinear Structural Materials.

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