[STAGE MASTER 2] - Renforcement de structures en acier par collage de patchs composites hybrides à fibres de carbone et de lin

Description de l'offre

Domaines scientifiques : Mécanique, Génie civil, Matériaux.

Mots clés : Composite, Acier, Renforcement, Collage.

Sujet de stage

La durabilité des structures en génie civil dépend de leur capacité à résister aux agressions mécaniques et physico-chimiques au fil du temps. Ces sollicitations, qu'elles soient causées par des charges dynamiques, des cycles thermiques ou des attaques physico-chimiques, conduisent à une dégradation progressive des matériaux, compromettant ainsi la performance et la sécurité des infrastructures. L'identification de solutions efficaces pour la réparation et le renforcement de ces structures représente un défi majeur pour les chercheurs, ingénieurs et industriels [1].

Les patchs composites, notamment ceux renforcés par des fibres (carbone, verre, lin, etc.), se positionnent comme une alternative prometteuse [2]. Ils offrent des propriétés mécaniques remarquables, combinant légèreté, résistance, et durabilité. L’intégration de biomatériaux, fabriqués à partir de ressources renouvelables, renforce davantage l'orientation vers des solutions durables et respectueuses de l’environnement dans le domaine de la réparation des structures [3], [4].

Objectif du stage

L’objectif de ce stage est de développer un protocole expérimental pour la fabrication de patchs composites hybrides (carbone/lin – époxy), leur collage sur un substrat en acier et leur vieillissement en environnement aqueux. Ces patchs permettront d’évaluer l’évolution des performances en flexion d’éléments structuraux en acier soumis à des sollicitations mécaniques. Par ailleurs, le comportement mécanique des assemblages réalisés sera simulé à l’aide du logiciel de simulation par éléments finis COMSOL.

Programme de travail

Le travail sera structuré en quatre étapes principales :

1. Revue de littérature

• Etude bibliographique approfondie des avancées sur les composites hybrides et bio-composites.
• Identification des principaux paramètres influençant l’adhésion et la performance en flexion des patchs sur des substrats en acier.

2. Préparation et mise en oeuvre des patchs composites

• Fabrication des patchs hybrides, combinant des fibres synthétiques (carbone, verre) et bio-sourcées (lin).
• Développement d’un protocole de collage adapté aux surfaces en acier.
• Réalisation d’essais de vieillissement sur les patchs composites fabriqués, avec suivi de l’évolution de la masse liée à la diffusion d’eau.

3. Analyse et modélisation

• Prise en main du logiciel de simulation par éléments finis COMSOL.
• Modélisation des assemblages acier/colle/composite en utilisant la méthode de zone cohésive.
• Simulation du comportement des assemblages en traction et flexion.
• Étude paramétrique pour identifier les paramètres numériques clés influençant les performances des patchs (propriétés de la zone cohésive, propriétés du composite, géométrie du patch).

4. Campagne expérimentale (optionnel)

• Caractérisation des propriétés de chacun des matériaux utilisés et mise en place de protocoles expérimentaux d’essais mécaniques (traction et flexion) pour les assemblages fabriqués.
• Comparaison de la performance des assemblages avant et après vieillissement.

Contexte :

Présentation du laboratoire

CESI LINEACT (UR 7527), Laboratoire d'Innovation Numérique pour les Entreprises et les Apprentissages au service de la Compétitivité des Territoires, anticipe et accompagne les mutations technologiques des secteurs et des services liés à l’industrie et au BTP. La proximité historique de CESI avec les entreprises est un élément déterminant pour nos activités de recherche, et a conduit à concentrer les efforts sur une recherche appliquée proche de l’entreprise et en partenariat avec elles. Une approche centrée sur l’humain et couplée à l’utilisation des technologies, ainsi que le maillage territorial et les liens avec la formation, ont permis de construire une recherche transversale ; elle met l’humain, ses besoins et ses usages, au centre de ses problématiques et aborde l’angle technologique au travers de ces apports.

Sa recherche est organisée selon deux équipes scientifiques interdisciplinaires et deux domaines applicatifs.

• L’équipe 1 "Apprendre et Innover" relève principalement des Sciences cognitives, Sciences sociales et Sciences de gestion, Sciences et techniques de la formation et celles de l’innovation. Les principaux objectifs scientifiques visés sont la compréhension des effets de l'environnement, et plus particulièrement des situations instrumentées par des objets techniques (plateformes, ateliers de prototypage, systèmes immersifs...) sur les processus d'apprentissage, de créativité et d’innovation.
• L’équipe 2 "Ingénierie et Outils Numériques" relève principalement des Sciences du Numérique et de l'Ingénierie. Les principaux objectifs scientifiques portent sur la modélisation, la simulation, l’optimisation et l’analyse de données de systèmes cyber physiques. Les travaux de recherche portent également sur les outils d’aide à la décision associés et sur l’étude des interactions humains-systèmes notamment à travers les jumeaux numériques couplés à des environnements virtuels ou augmentés.

Ces deux équipes développent et croisent leurs recherches dans les deux domaines applicatifs de l'Industrie du Futur et de la Ville du Futur, soutenues par des plateformes de recherche, principalement celle de Rouen dédiée à l’Usine du Futur et celles de Nanterre dédiée à l’Usine et au Bâtiment du Futur.

Références bibliographiques:

[1] L. Hollaway, Polymer Composites for Civil and Structural Engineering. Dordrecht: Springer Netherlands, 1993. doi: 10.1007/978-94-011-2136-1.

[2] A. H. Al-Saidy, F. W. Klaiber, et T. J. Wipf, « Repair of steel composite beams with carbon fiber-reinforced polymer plates », J. Compos. Constr., vol. 8, no 2, p. 163‑172, 2004, doi: 10.1061/(ASCE)1090-0268(2004)8:2(163).

[3] M. A. Tazi et al., « Experimental evaluation of interface adhesion of a flax fiber composite patch with epoxy and polyurethane adhesives for the reinforcement of steel structures », Int. J. Adhes. Adhes., vol. 129, p. 103559, févr. 2024, doi: 10.1016/j.ijadhadh.2023.103559.

[4] M. A. Tazi, M. Jebli, S. T. de Freitas, P. Casari, et S. de Barros, « NUMERICAL INVESTIGATION OF THE FLEXURAL BEHAVIOR OF STEEL PLATES REINFORCED WITH HYBRID FLAX/CARBON COMPOSITE PATCHES », Proc. 21st Eur. Conf. Compos. Mater., vol. 3-Material and Structural Behavior – Simulation&Testing (Vol. 3, p. 944-951), 2024.

Profil recherché

Vos compétences

• Connaissances en matériaux composites et durabilité des structures.
• Maîtrise des techniques expérimentales (préparation d’échantillons, essais mécaniques).
• Compétences en modélisation numérique (logiciels tels que Abaqus, Comsol, ou Matlab)

Votre Recrutement

Modalité : sur dossier et entretien.

Votre candidature devra comporter :

1. Un Curriculum Vitae détaillé. En cas de rupture dans le cursus universitaire, merci de donner une explication ;
2. Une lettre de motivation;
3. Les résultats du MASTER 2 ou équivalents et les bulletins de notes correspondants ;
4. Toute autre pièce que vous jugerez utile.

Merci de transmettre l’ensemble des documents au sein d’un fichier.