Etude de la perforation par percussion de bétons : approche expérimentale et numérique
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The use of a portable electro pneumatic hammer drill for the percussive drilling of the concrete is a well-developed technology. At the same time the necessary theoretical background of the wave propagation and concrete fragmentation may be quite complex and not fully known to the industry. The head of the drill bit (carbide tip) submitted to a transient loading, behaves like a punch that pierces the concrete causing its crushing and fragmentation. The calculation of the dissipated “mechanical work” during the penetration can be compared to initial “kinetic energy” of the anvil, in order to quantify the efficiency of the perforation process. With our experimental approach, we have shown that the efficiency of 60 to 80% is reached in reality for the studied materials and for concretes of various compositions. Around 0. 7 of the work is dissipated during the second passage of the waves in the drill bit. We have shown that these cycles of energy “dissipation” can be physically interpreted as progressive crushing of the concrete immediately under the cutting edge of the tool followed by dust formation and chipping as the failure of the surface layer develops. The process of brittle fracture makes it difficult to perform a simulation of wave propagation in the drilling rod because suitable modified boundary conditions have not been yet implemented in the computational method. Nonetheless, a successful attempt was made to optimize the anvil and drill bit geometry for maximizing the efficiency of the process. Finally, a great deal of modelling effort was put to describe the dynamic penetration of carbide tip in the concrete, using commercial explicit finite element codes. Based on the results obtained, we have indicated a need for further development of computer codes in the area of the material laws of the concrete material.
Abstract FR:
L'utilisation d'un perforateur électropneumatique portatif pour la perforation par percussion de bétons est une technologie très répandue. Cependant, les fondements théoriques nécessaires pour aborder la propagation d'ondes et la fragmentation du béton, peuvent être très complexes et parfois méconnus du milieu industriel. La tête du foret (plaquette carbure), soumise à un chargement transitoire, se comporte comme un poinçon qui pénètre le béton, provoquant broyage et fragmentation. Le calcul du rendement du travail mécanique dissipé dans la pénétration par rapport à l'énergie cinétique initiale de l'enclume, permet de quantifier l'efficacité de la perforation. Par notre approche expérimentale, nous avons montré qu'un rendement de 60 à 80 % est atteint en pratique avec les matériels étudiés, et pour des bétons de compositions différentes. Environ 70 % du travail total est développé durant le second aller-retour des ondes dans le foret. Nous avons montré que ces cycles de dissipation d'énergie se traduisent physiquement par une phase de broyage du béton et des débris de percement immédiatement sous la pointe de l'outil, suivie d'une phase de 'cratérisation', correspondant à la rupture fragile de la surface du matériau. La prise en compte de cette rupture fragile complique singulièrement les simulations de propagation d'ondes dans le foret par la nécessité d'utiliser des modèles de conditions limites spécifiques, et qui ne sont pas encore aujourd'hui parfaitement adaptés à cette phénoménologie. Toutefois, nous avons fait la démonstration de l'opportunité de ces simulations pour optimiser la géométrie de l'enclume et du foret en maximisant le rendement énergétique. Pour finir, nous avons initié une démarche de modélisation de la pénétration dynamique de la plaquette carbure dans le béton, avec un code de calcul basé sur la méthode élément fini explicite. Suite aux résultats obtenus, nous avons suggéré des perspectives de développement du code de calcul, et plus particulièrement, des lois de comportement du matériau béton.