comportement mécanique de fibres et d'assemblages de fibres en

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  • ED n432 : Sciences des Mtiers de lIngnieur

    N attribu par la bibliothque |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|

    T H E S E

    pour obtenir le grade de Docteur de lEcole des Mines de Paris

    Spcialit Sciences et Gnie des Matriaux

    prsente et soutenue publiquement par

    Cline LECHAT

    le 7 Novembre 2007

    COMPORTEMENT MECANIQUE DE FIBRES ET DASSEMBLAGES DE FIBRES EN POLYESTER POUR CABLES DAMARRAGE DE

    PLATES-FORMES OFFSHORE

    Directeurs de thse : A.R. BUNSELL (ENSMP), P. DAVIES (IFREMER)

    Jury

    M. Ignazio CRIVELLI VISCONTI, Universit de Naples, Italie Rapporteur M. Luc TAERWE, Universit de Gent, Belgique Rapporteur M. Christophe BALEY, Universit de Bretagne Sud, Lorient Examinateur M. Bernard MONASSE, ENSMP Examinateur M. Peter DAVIES, IFREMER Examinateur M. Anthony R. BUNSELL, ENSMP Examinateur M. Michel FRANCOIS, BUREAU VERITAS Invit Mme. Anne PIANT, ENSMP Invite

  • Remerciements

    En premier lieu je remercie Jean-Pierre Trottier et Esteban Busso, directeurs successifs du Centre des Matriaux de lEcole des Mines de Paris, de mavoir donn lopportunit de raliser cette thse dans ce laboratoire que jestime tre de grande qualit. Je remercie galement les membres du jury davoir pris le temps de juger le rsultat de mon travail. Et puisque cette thse a eu ds le dbut des liens troits avec lAngleterre, je maventurerai remercier certaines personnes dans leur langue maternelle. First of all I would like to thank greatly my two supervisors, Anthony Bunsell and Peter Davies, for having passed on to me their interest in fibres, ropes and other polymer applications. Throughout my PhD they expressed great interest in my study, gave advice when I needed some, and challenged me when I needed to be. Even when away, they were available to discuss the progress of my work or for less formal conversations, whether from Brest, the US or Japan. For this I would like to offer my appreciation and I hope we will have other opportunities to collaborate in the future. Whilst completing my PhD I also had the chance to meet those working at Tension Technology International, including Steve Banfield. I would like to thank him for the interesting meetings we had and the great opportunity he offered me to work for six months at Cambridge University. This work was supervised by Chris Burgoyne to whom I would like to offer my gratitude for welcoming me in to the Engineering Department and introducing me in to the world of Civil Engineering. Pour revenir du cot franais, de nombreuses personnes ont contribu au bon droulement de la thse, notamment au sein du Centre des matriaux. Je pense particulirement Anne Piant, qui a suivi la thse de prs et ma fait profiter de son jugement. Je pense aussi lquipe technique : Yves, Jean-Christophe et Yann. Sans eux les thsards du groupe AMC (et des autres groupes aussi) seraient bien perdus ! Et puis je pense tous mes collgues et amis du Centre, qui mont permis de mouvrir un peu plus au monde des matriaux et au monde en gnral. Cette thse a t finance dans le cadre dun projet CEP&M, ce qui ma donn loccasion de participer des runions au cours desquelles jai beaucoup appris sur le milieu offshore, et ce toujours dans la bonne humeur. Je remercie donc pour cela Michel, Anne, Karine, Franois, Charles, et tous les autres collgues du projet. Et puis cette thse ne se serait pas non plus faite sans le soutien de Performances Fibers, dont jai tudi les fibres pendant ces quatre annes, et dont les interlocuteurs ont toujours rpondu la multitude de questions que javais leur poser. Merci donc Olivier Parguez et Caroline Muller. Enfin je souhaite remercier du fond du cur mes parents, qui mont encourage et aide de leur mieux, financirement certes mais aussi moralement, activement, allant jusqu corriger des textes bien obscurs pour eux Et puis galement pour le soutien, je remercie toute ma famille et mes amis (particulirement la bande des Nantais et Ema) qui mont touche par leur prsence, physique ou morale, lors de la soutenance et que jespre avoir rendus fiers.

  • Table des Matires

    LEXIQUE ................................................................................................................................. 7

    SYMBOLES UTILISES ........................................................................................................ 13

    I INTRODUCTION A LA PROBLEMATIQUE INDUSTRIELLE : RECHERCHE DE NOUVELLES SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES POUR AMARRER LES PLATES-FORMES OFFSHORE......................................................................................... 15

    I.1 PRESENTATION DU SYSTEME DAMARRAGE CLASSIQUE ET DE SES LIMITES ............... 15 I.2 RECHERCHE DE SOLUTIONS TECHNIQUES DE REMPLACEMENT................................... 16 I.3 CHOIX DU MATERIAU ................................................................................................ 18 I.4 FABRICATION DES FIBRES ET DES CABLES SYNTHETIQUES ......................................... 21

    I.4.1 Fabrication des fibres .......................................................................................... 21 I.4.2 Fabrication des cbles ......................................................................................... 22 I.4.3 Terminaison des cbles ........................................................................................ 24

    I.5 PROBLEMATIQUES MECANIQUES LIEES A LUSAGE DE LIGNES SYNTHETIQUES........... 26 I.5.1 Reprsentation des efforts, comportement force allongement. ......................... 26 I.5.2 Mcanismes de rupture ........................................................................................ 26

    I.6 ETAT DE LART.......................................................................................................... 28 I.7 CHOIX DES ORIENTATIONS DE RECHERCHE ET PLAN DE LETUDE............................... 29

    II COMPORTEMENT MECANIQUE DES CABLES ET FIBRES SYNTHETIQUES : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE ......................................................... 31

    II.1 COMPORTEMENT DES ASSEMBLAGES DE FIBRES ........................................................ 32 II.1.1 Paramtres lis au comportement mcanique des assemblages de fibres ....... 32 II.1.2 Etude des mcanismes de rupture long terme............................................... 36

    II.2 COMPORTEMENT DES FIBRES PET ET PEN................................................................ 40 II.2.1 Gnralits ....................................................................................................... 40 II.2.2 Proprits mcaniques ..................................................................................... 42 II.2.3 Mcanismes de rupture long terme ............................................................... 44 II.2.4 Observations en microscopie ........................................................................... 48

    II.3 MODELISATION DU COMPORTEMENT......................................................................... 51 II.3.1 Comportement en traction................................................................................ 51 II.3.2 Comportement long terme............................................................................. 54 II.3.3 Modle spcifique du comportement des cbles synthtiques : FRM.............. 56

    II.4 BILAN DE LETUDE BIBLIOGRAPHIQUE....................................................................... 60

    III CARACTERISATION DES ASSEMBLAGES DE FIBRES................................. 61 III.1 DESCRIPTION DES SPECIMENS ET PROTOCOLES EXPERIMENTAUX .............................. 62

    III.1.1 Diffrentes tailles dassemblage tudies ........................................................ 62 III.1.2 Moyens exprimentaux..................................................................................... 63

    III.2 RESULTATS DES ESSAIS DE CARACTERISATION MECANIQUE ...................................... 69 III.2.1 Caractrisation du rope ................................................................................... 69 III.2.2 Caractrisation du sub-rope ............................................................................ 70 III.2.3 Caractrisation du rope-yarn........................................................................... 77

    III.3 BILAN DE LA CARACTERISATION DES ASSEMBLAGES................................................. 83

  • IV CARACTERISATION DES FIBRES (YARNS & FILAMENTS)........................ 85 IV.1 DESCRIPTION DES SPECIMENS ET PROTOCOLES EXPERIMENTAUX .............................. 86

    IV.1.1 Yarns et filaments ............................................................................................. 86 IV.1.2 Moyens exprimentaux..................................................................................... 88

    IV.2 RESULTATS DES ESSAIS DE CARACTERISATION MECANIQUE ...................................... 92 IV.2.1 Caractrisation du yarn : traction ................................................................... 92 IV.2.2 Caractrisation du filament ............................................................................. 93

    IV.3 OBSERVATIONS EN MICROSCOPIE DES FACIES DE RUPTURE ..................................... 105 IV.3.1 Facis de rupture aprs traction ou fluage.................................................... 105 IV.3.2 Facis de rupture aprs sollicitation cyclique ............................................... 107

    IV.4 BILAN DE LA CARACTERISATION DES FIBRES ........................................................... 113

    V DISCUSSION : VERS UNE COMPREHENSION GLOBALE DU COMPORTEMENT DES ASSEMBLAGES DE FIBRES EN PET & PEN................. 115

    V.1 COMPARAISON DES COMPORTEMENTS AUX DIFFERENTES ECHELLES....................

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