Dissertations / Theses on the topic 'Construction en béton armé – Modèles mathématiques'

En région montagneuse où Ie risque de chutes de blocs rocheux sur les ouvrages est élevé, une des préoccupations actuelles concerne l'identification des efforts d'impact et la connaissance de l'endommagement des ouvrages impactes. L'objet de l'étude présentée est d'apporter une contribution à l'analyse de la réponse aux chocs de structures en béton armé. Trois axes ont été abordes dans cette étude : I) L'analyse directe des sollicitations d'impact. Cette étude est gouvernée par des mises en équations du comportement au choc au moyen d'équations différentielles ou d'équations aux dérivées partielles. La solution des problèmes étudiés a été établie en développant une méthode de résolution analytique (le modèle doubles masses déformables) et par la méthode des éléments finis. Les outils d'analyse directe développés permettent d'une part d'obtenir les champs de déplacements, de déformations et d’accélérations lors d'un choc et, d'autre part, d'évaluer la sensibilité de la réponse directe (au choc) aux variables d'entrée, cela en vue d'une analyse inverse. II) L'analyse inverse des sollicitations d'impact. Cette analyse met en évidence les deux principales difficultés des problèmes inverses lors de sollicitations dynamiques : d'une part les problèmes d’expérimentation et de méconnaissance des conditions aux limites réelles des structures et d'autre part les problèmes spécifiques de la résolution d'un problème inverse. III) Le développement de modèles simplifiées appliqués à l'estimation des efforts d'impact dans des dalles structurellement dissipantes. L'étude réalisée dans cette troisième partie propose des approches d’estimation de l'endommagement et des efforts appliquesài une structure à partir des mesures expérimentales. Les résultats de cette étude sont applicables en phase précoce de conception ou en phase d'avant projet où l'on analyse, en fonction des géométries, les efforts dans des dalles ou poutres impactées
In mountainous regions where the risk of rock falls on structures is significant, one of the current preoccupations is to identify the impact forces and to analyse the damage of impacted structures. The purpose of the presented study is to provide a contribution to the response analysis of reinforced concrete structures under shocks. Three axes have been approached in this study : (i) The direct analysis of impact solicitations. This study is concentrating on developing the shock behaviour equations by means of differential or partial differential equations. The solution of studied problems has been established by developing an analytical method of resolution (the model of double deformable masses) and by finite element method. The developed direct analysis allows, on the one hand, to obtain the displacements, deformations and accelerations fields at shock and, on the other hand, to evaluate the sensibility of direct response to input variables, with a view to the inverse analysis. (ii) The inverse analysis of impact solicitations. This analysis points out the two main difficulties of inverse problems due to dynamic solicitations: on the one hand, the experimentation and real boundary conditions misappreciation problems and, on the other hand, the specific problems related to inverse problem resolution. (iii) The development of simplified models applied to the impact force estimation in the structurally dissipating rock-shed. The work realized in this third part propounds damage and applied forces estimation approach using experimental measurements. The results of this research are applicable in early phase of conception or in pre-project phase where the forces in impacted slabs or beams are analysed in function of geometry

Cette etude traite de la conception et de la construction d'un modele de calcul permettant l'evaluation de la probabilite de ruine par flexion d'une poutre bi-encastree en beton arme soumise a l'action de charges statiques. Une relation moment-courbure originale est proposee, permettant, d'une part, de mieux tenir compte de l'adaptation plastique et, d'autre part, de realiser un gain appreciable en temps de calcul. Les resultats obtenus permettent d'evaluer de facon quantitative l'influence sur la securite, des diverses incertitudes d'execution et d'exploitation ainsi que celles d'autres parametres comme le pourcentage d'armatures ou le rapport des charges permanentes aux charges totales

Cette etude traite de la conception et de l'elaboration d'un modele de calcul permettant d'estimer la probabilite de defaillance par flambement d'un poteau en beton arme, dont les extremites peuvent etre articulees, elastiquement encastrees ou rigidement encastrees. Le modele mecanique, base sur une methode de discretisation en troncons lineaires, permet d'une part un calcul rapide et precis de la capacite portante, et d'autre part, de tenir compte des variations des caracteristiques du poteau le long de la ligne moyenne. Les differentes variables structurales et de chargement etant considerees comme aleatoires, plusieurs techniques d'estimation de la probabilite de defaillance sont comparees. Il en ressort que la technique des simulations de monte carlo est la mieux appropriee a l'analyse de la fiabilite des poteaux en beton arme. L'etude, par cette methode, de la securite offerte par les codes de calcul revele que celle-ci n'est pas homogene, mais varie en fonction de parametres comme l'elancement, le type de liaison, le coefficient de chargement, l'excentricite initiale de la charge et la distribution de la resistance du beton

Les développements récents des moyens informatiques permettent d'appréhender le calcul des structures sous chargement complexes en utilisant des modèles de comportements réalistes. Malgré tout les calculs e. F. Classiques, utiles pour la vérification des ouvrages, sont encore lourds à manipuler et ne répondent pas toujours aux exigences de la conception. Dans ce contexte le travail réalisé porte sur l'étude d'une modélisation simplifiée du calcul des structures en béton arme. Les bases de cet outil sont: une description éléments finis multicouche de la structure, un modèle d'endommagement a caractère unilatéral, l'introduction des distorsions liées au cisaillement. Cette modélisation est développée dans le cadre du programme expérimental CASSBA ce qui permet d'apprécier son champ d'application pour le calcul dynamique des bâtiments. Enfin la réponse aux chocs des ouvrages est abordée par l'élaboration et l'implantation d'un modèle de comportement visco-endommageable de conception classique. L'utilité d'un tel modèle est montrée pour la modélisation de l'influence de la vitesse de chargement sur le comportement du matériau ainsi que pour le caractère stabilisant sur réponse numérique des calculs de structures soumises a un choc

Pour déterminer la vulnérabilité et la ruine des structures en béton armé soumises à une onde de choc engendrée par une explosion, le centre d'études de Gramat (c. E. G. ) a développé un nouveau modèle de comportement pour le béton. Ce modèle isotrope, base sur la théorie de l'endommagement utilise deux variables scalaires d'endommagement afin de prendre en compte divers phénomènes tels que: la dissymétrie en tension et compression, le caractère unilatéral (ouverture-fermeture de fissures), l'existence de déformations anélastiques, les effets des vitesses de déformation et les effets de frottement. Couplé à une méthode de régularisation de la localisation, ce modèle permet d'assurer une indépendance des résultats vis à vis du maillage. La formulation explicite, sans processus itératif, de cette loi de comportement permet également d'obtenir une certaine rapidité (temps de calcul) et robustesse (instabilités lors de la rupture du béton) lors des simulations numériques. Afin de valider ce modèle de comportement du béton en dynamique, des essais de souffle sur des dalles circulaires en béton arme ont été réalises au c. E. G. A l'aide d'un tube a choc. Des comparaisons calculs/expériences montrent les capacités et possibilités de cette nouvelle formulation

La réduction de la vulnérabilité sismique des structures existantes est un enjeu majeur. Le renforcement d’éléments par Tissus de Fibres de Carbone (TFC) offre une réponse intéressante à cette problématique. Ces travaux proposent une stratégie simplifiée de modélisation non linéaire permettant de prédire le comportement d’une structure en béton armé renforcée par TFC. Celle-ci est fondée sur l’utilisation d’éléments finis poutres multifibres ainsi que de modèles d’endommagement et de plasticité. Le confortement d’éléments en flexion et le confinement des poteaux sont étudiés. Plus spécifiquement une loi constitutive cyclique pour béton confiné est proposée. Cette loi est fondée sur deux modèles, le premier basé sur la théorie de l’endommagement et le second sur une série d’études expérimentales. Cette approche est validée à travers deux cas d’études : une pile de pont renforcée et une analyse de vulnérabilité d’un ouvrage sous sollicitations statiques (poussée progressive) et dynamiques
In structural engineering, the seismic vulnerability reduction of existing structures is an important issue. Retrofitting by Polymer Reinforced Fibres (FRP) is an interesting response in order to fulfil this aim. This paper presents a simplified modelling strategy to predict the behaviour of reinforced concrete structures upgrade with FRP. A nonlinear finite element method is used, based on multifiber beams with damage and plasticity models. Retrofitting of flexural element (wall, beam) and column confinement are studied. More specifically, a confined concrete constitutive law suitable for monotonic and cycling loadings is proposed. The model is inspired on two well-known concrete laws, one based on damage mechanics theory (La Borderie) and the other based on experimental studies (Eid & Paultre). Validation of the strategy is provided using two case studies: a retrofitted bridge pier and a vulnerability assessment on an existing building trough static (Pushover) and dynamic analysis

Les ouvrages en béton armé ont aujourd'hui en moyenne un âge qui approche de la période critique d'amorçage de la corrosion des aciers de renfort (de 30 à 50 ans), et leur remise à niveau représente un enjeu économique considérable. Les études dans le cadre de cette thèse ont pour but d'apporter des éléments de réponse à la question préoccupant les ingénieurs, à savoir l'influence de la corrosion des armatures sur la résistance mécanique des structures et les marges résiduelles par rapport à la ruine. Ces informations sont nécessaires pour obtenir l'évolution de la perte de capacité des ouvrages soumis à la corrosion. L'étude de cette évolution est calée sur les principales phases qui caractérisent la dégradation d'une structure. Ces informations sont néccessaires pour mettre en place une politique de gestion du patrimoine et décider en connaissance de cause d'une planification des travaux de réparation, du renforcement ou du remplacement des éléments d'ouvrage défaillants. Le mémoire comporte six chapitres. Le premier chapitre propose un modèle d'évolution dans le temps des performances d'un ouvrage selon trois étapes : étape d'initiation ti, étape de déterioration stable tsp et étape de déterioration imprévisible tup. Le chapitre 2 précise la première étape pour des éléments en béton armé et béton précontraint. Le chapitre 3 analyse les mécanismes de corrosion et leurs conséquences sur les structures en béton. Le chapitre 4 porte sur la prédiction de la corrélation entre l'adhérence et la corrosion. Le chapitre 5 développe une méthode de calcul de l'évalauation du comportement structurel des éléments. Cette méthode permet d'intégrer les conséquences de la corrosion des armatures dans le comportement de la structure. Le chapitre 6 propose une validation du modèle par comparaison avec des essais expérimentaux, notamment ceux du projet "Benchmark des poutres de la Rance"

Les présents travaux, à caractère expérimental et numérique, visent à approfondir la connaissance du comportement de structures en béton armé renforcées/réparées par matériau composite à matrice minérale. Ils s’inscrivent dans le cadre du projet FUI KENTREC qui vise la formulation, le développement, la caractérisation et la validation d’un nouveau revêtement d’étanchéité pour réservoirs d’eau potable. L’objectif principal de cette thèse est donc la mise au point d’un composite à matrice minérale qui réponde au cahier des charges établi sur la base de la destination de ce matériau, à savoir, l’étanchéité des réservoirs d’eau potable. La mise au point comprend la formulation du matériau, l’évaluation de ses performances mécaniques, ainsi que la qualification des performances atteintes quant au renforcement de structures en béton armé. Deux échelles d’étude ont donc été retenues dans le cadre de la partie expérimentale, l’échelle du matériau, dans le but de formuler une matrice de « TRC » (Textile Reinforced Concrete) en fonction du cahier des charges, et l’échelle de la structure, avec l’application de ce matériau pour le renforcement et la réparation de structures en béton et en béton armé. Une campagne expérimentale de flexion portant sur des éprouvettes en béton et sur douze « poutres » en béton armé a permis, au-delà de la mise en exergue des bonnes performances en termes de capacité portante, d’analyser à l’échelle locale l’efficacité du composite à ponter la fissure et d’endiguer son ouverture. L’application visée étant l’utilisation de ce composite en milieu humide (réservoirs d’eau), les effets de deux différentes conditions de conservation de la structure renforcée/réparée par composite, avec soit l’immersion dans l’eau soit dans l’air, sont étudiés. Pour la partie numérique, ce travail vise à établir une modélisation des structures en béton ou en béton armé renforcées par ce type de composite TRC. La modélisation établie, s’appuie sur des lois de comportement non-linéaires des matériaux constitutifs (béton, acier, composite TRC) est confrontée à plusieurs échelles, aux résultats expérimentaux. La bonne concordance qualitative et quantitative entre le modèle proposé et les résultats expérimentaux au niveau des courbes charge-flèche, permet de valider la modélisation proposée à l’échelle globale. Au niveau local, on constate une assez bonne concordance du numérique et de l’expérimental, au niveau de la déformation de l’acier longitudinal, du béton, du composite, du schéma de fissuration, du champ de déplacement horizontal. Enfin, une étude paramétrique a permis d’évaluer l’influence de l’épaisseur du renfort composite TRC sur le comportement global et local de la structure
This study, using both experimental and numerical approaches, will help to better understand the behavior of structure strengthened/repaired by composite based on mineral matrix. It especially focuses on the study of a new coating for drinkable water reservoirs without bisphenol A. The main objective of this thesis is development of a mineral matrix composite. Feasibility, performances and behavior of composite are examined. The experimental program involves different levels of analysis. At material level, the formulation and characterization of a mineral matrix are studied. At structure level, the application of this composite for the strengthening and repair of concrete and reinforced concrete structures is considered. A bending experiment on concrete specimens and the study of twelve reinforced concrete beams submitted to four point bending load, allows presenting good disposition in terms of bearing capacity. Secondly, the local analysis highlights the efficacy of the composite to bridge the crack and stop opening propagation. The effect of two different conservation conditions of beams with TRC (immersion in water compared to in air) was studied. The objective is evaluating the pertinence of TRC conserving in the water environment to apply in the concrete water reservoir structure. The effect evaluation of load history of structures on the efficacy strengthened/repaired of TRC composite is presented. It seems that the pre-cracking does not influence on the qualitative and quantitative behavior of the structure. Concerning the numerical approach, this work aims to establish a numerical model of concrete structure and reinforced concrete structure strengthened/repaired by TRC composite materials. The model, which is based on non-linear behavior laws for the constitutive materials (concrete, steel and TRC composite), is compared, at several scales, with experimental results. The good agreement, both qualitative and quantitative, between the model used and the results as expressed in the load-deflection curves validates the proposed model at a global scale. At local level (longitudinal deformation of the steel, deformation of the concrete, deformation of the TRC, cracks opening…) the digital-experimental comparison confirms a good qualitative and, the quantitative agreement. Finally, the parametric study allows to evaluate the influence of the thickness of the composite TRC (indirectly, the reinforcement ratio of beam), and the influence of the pre-cracking configuration on the global and local behavior of the structure

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'élaboration de méthodes simplifiées d'analyse du comportement non-linéaire des ouvrages en béton armé à voiles porteurs sous action sismique. Une stratégie de modélisation simplifiée basée sur la notion de macro-éléments a été adoptée, afin de décrire le comportement non-linéaire du mur voile et d'estimer sa capacité résistante vis-à-vis des forces latérales. Les lois de comportement utilisées pour le béton et l'acier sont basées sur la théorie de l'endommagement et de la plasticité. La validation des capacités prédictives du modèle à partir des résultats expérimentaux a été aussi effectuée. De plus, une étude paramétrique a été réalisée pour étudier la sensibilité des résultats aux variations des paramètres liés au modèle, au matériau et/ou type de chargement
Abstract

Le but de ce projet de recherche est de développer un outil de modélisation du comportement d’éléments en béton armé selon une discrétisation par couches. En flexion, la modélisation repose sur la capacité de prédire d’une part le comportement d’une section fissurée et d’autre part, le comportement global d’une poutre fléchie. Un endommagement relié à l’historique de chargement est également pris en compte par l’apparition de déformations permanentes et l’imposition d’une diminution de la rigidité des matériaux. L’outil offre alors la possibilité d’établir des seuils d’alarme par la mise à jour de l’indice de fiabilité d’une structure, ce qui constitue un atout significatif à la télésurveillance. Une portion expérimentale permet de confronter les résultats obtenus de la modélisation à des essais en laboratoire sous chargements statiques et cycliques sur des poutres instrumentées. La comparaison entre les résultats expérimentaux et la prédiction du modèle démontre une très bonne concordance, autant sous chargements statiques que cycliques, malgré une prédiction un peu conservatrice des indicateurs de performance à la rupture. Ce phénomène est toutefois favorable dans l’optique de poser des seuils d’alarme en télésurveillance. Finalement, le modèle permet de construire une enveloppe de rupture incluant l’interaction des efforts de cisaillement et de flexion. L’utilisation de la théorie des champs de compression modifiée permet le suivi de l’inclinaison des fissures et de la déformation des étriers à l’ultime. Bref, le modèle assemblé s’avère un outil de prédiction efficace du comportement réel d’éléments fléchis et cisaillés en béton armé.
The objective of this research project is to develop a modeling tool (layer by layer) for the behavior of reinforced concrete members. For flexure, the model relies on the capacity to predict the behavior of a cracked section and also the behavior of the entire bent beam. Damage related to historic loading also applies, including permanent deformations and a diminished rigidity to the material. It is therefore possible to set up an alarm threshold by upgrading the reliability index of the structure which constitutes a complementary tool to telesurveillance or monitoring. An experimental program was setup to obtain results to validate the model with static and cyclic loading of instrumented beams. The comparison between the experimental results and the model predictions shows an excellent agreement for the static loading behavior, even though it is on the safe side of the performance index indicators. The phenomenon is nonetheless favourable for the proposed telesurveillance alarm threshold. Finally, the model can generate a rupture envelop including the interaction between the shear force and bending moment. The use of the modified compression field theory allows the follow-up of the crack inclination and the deformation in the stirrups at rupture. In summary, this prediction tool reveals to be a very useful one to simulate the behavior of reinforced concrete members subjected to shear and bending.

Cette etude porte sur la conception et la realisation d'un modele de calcul pour la determination de la resistance ultime des poteaux en beton arme soumis a une elevation de temperature provoquee par un chargement d'origine climatique ou par un incendie (defini ici par la courbe standard iso 834). Le modele thermique utilise le logiciel de calcul aux elements finis cesar lcpc. Le modele mecanique est fonde sur une discretisation du poteau en macro-elements multi-fibres. Couple au modele thermique, ce modele permet un calcul rapide et precis de la resistance ultime d'un poteau expose a un chargement thermique quelconque. Cette etude presente aussi une methode d'estimation de la fiabilite des poteaux en beton arme dimensionnes pour rester stables au feu pendant un temps t#f donne. Elle est basee sur la technique des simulations de monte carlo. Elle prend non seulement en compte l'evolution des caracteristiques thermo-physiques et mecaniques des materiaux en fonction de la temperature, mais aussi celle de leurs distributions statistiques, elles memes dependantes de la temperature. Il apparait que la fiabilite des poteaux dimensionnes selon les regles fb 87 varie fortement suivant la duree t#f de stabilite au feu exigee, le pourcentage d'armatures et l'elancement. Une proposition est faite pour attenuer ces variations.

Le travail de thèse porte sur l'étude du comportement en flexion simple de poutres rectangulaires en béton armé corrodé à l'aide d'une modélisation moment-courbure modifiée prenant en compte le raidissement en traction du béton fissuré. Il est divisé en quatre chapitres : le premier chapitre est consacré à la résolution du système non linéaire des équations d'équilibre d'une poutre en béton armé par la méthode moment-courbure. Il est composé de trois parties. Dans la première, on présente la définition de la courbure et sa détermination expérimentale. La seconde partie est consacrée à la proposition d'une méthode rapide de calcul de la hauteur comprimée d'une section fléchie en béton armé dite des cas possibles. Enfin, on présente la recherche de la courbure par deux méthodes, directe et indirecte, accompagnée d'études paramétriques. Le deuxième chapitre se compose de trois parties. Dans la première, on présente la fissuration et la rigidité d'une zone de béton armé tendue et en conséquence le phénomène de raidissement en traction « Tension Stiffness Model ». Dans la seconde partie, proposant un élément poutre-tirant, nous modélisons la partie tendue d'une poutre par un tirant centre et nous modifions le comportement moment-courbure. Nous proposons ensuite la loi de comportement du tirant excentré, en phase élastique et post fissuration, et celui du tirant corrodé pour modifier notre modèle. Le troisième chapitre présente des essais menés dans le cadre du projet GEO « Fatigue et vieillissement des géocomposites » sur des poutres conservées au L. M. D. C. (Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions) de Toulouse. Elles ont été fabriquées en 1984 dans le cadre d'une étude sur la maîtrise de la fissuration. L'irréversibilité de déformations de la première série d'essais est étudiée. Puis nous calculons les déformées et les valeurs d'endommagement de la structure le long d'une poutre conservée dans une ambiance en brouillard salin à partir des résultats de la deuxième série d'essais. Enfin dans la troisième série d'essais, cette poutre est chargée jusqu'a rupture. Le quatrième chapitre est consacré à l'étude diagnostic et à la validation du modèle moment-courbure modifié par la prise en considération d'un élément poutre-tirant excentré, par comparaison avec les essais. L'application des valeurs d'endommagement de la structure sur le modèle a été étudiée.

Les objectifs de la thèse sont l’étude de la phase d’initiation et de propagation de la corrosion des armatures du béton armé en atmosphère saline. La phase d’initiation et le début de la phase de propagation sont étudiés expérimentalement sur des éprouvettes réalisées spécifiquement pour cette thèse et permettant de faire varier la qualité de l’interface armature-béton en évitant les effets de bords. Le suivi du développement de la corrosion est réalisé par mesures électrochimiques à échéances régulières. L’analyse de l’évolution de la résistance de polarisation en fonction du temps a permis de confirmer l’importance de la qualité de l’interface sur l’initiation de la corrosion ainsi que sur la présence de deux étapes distinctes dans la phase de propagation : un développement de piqûres (corrosion locale) qui conduit à une fissuration coïncidentes avec l’armature puis une généralisation de la corrosion (corrosion généralisée puis homogène) liée à la présence des fissures de corrosion. Ce dernier aspect permet un lien avec l’autre partie du travail de thèse qui utilise des éléments de béton armé âgés de 22 ans au début de la thèse et qui se trouvent en phase de propagation depuis de nombreuses années. L’analyse du vieillissement de ces poutres en fonction du temps a permis de confirmer l’existence les deux étapes de la phase de propagation déjà mentionnées ci-dessus : une corrosion locale conduisant à une fissuration du béton d’enrobage pour laquelle existait un modèle reliant la géométrie des fissures (ouverture) au taux de corrosion; une corrosion généralisée puis homogène qui se développe grâce aux fissures existantes et conduit à une augmentation de l’ouverture de ces fissures mais également à la création de nouvelles fissures. Un nouveau modèle permettant de relier le taux de corrosion à la géométrie des fissures a été proposé dans le cadre de la thèse. Ces résultats sont importants car spécifiques à la corrosion naturelle, en effet on ne retrouve pas ces deux phases dans les essais classiques accélérés sous champ électrique. L’existence de ces étapes de la phase de propagation nécessite également la définition de deux stratégies de modélisation du comportement mécanique en service ; c’est à dire la réponse en déplacement des éléments corrodés. En effet, dans la première étape, il y a une perte d’adhérence entre l’armature et le béton qui modifie le comportement mécanique mais la perte de section qui est locale a un effet négligeable. En revanche, dans la seconde étape, la généralisation et l’homogénéisation de la corrosion conduit à un couplage entre la perte d’adhérence et la perte de section. L’expérimentation à rupture d’un élément âgé de 23 ans a permis de confirmer la corrélation entre la perte de section d’acier et la charge de rupture résiduelle. La modélisation du comportement à rupture des ouvrages corrodés est donc simplement liée à la perte maximale de section dans les zones les plus sollicitées. Cependant dans le cadre d’un diagnostic, l’existence des deux étapes de la phase de propagation pose un problème pour connaître le taux de corrosion des structures corrodées. Les expérimentations font également apparaître que durant la phase de propagation de la corrosion, les éléments en béton armé conservent un comportement mécanique satisfaisant par rapport aux prescriptions réglementaires et qu’il serait donc important pour les maîtres d’ouvrages de prendre en compte cette phase de propagation dans la durée de vie des ouvrages corrodés
The thesis aims to study both initiation and propagation phase of steel corrosion in reinforced concrete structures in chloride environment. Experiments were carried out in order to investigate the initiation period and the beginning of the propagation period in relation with the steel-concrete interface quality. Specific high size reinforced concrete members were cast to create various steel-concrete interface qualities and were stored in a saline environment. Polarisation resistance was measured regularly to assess the corrosion rate. Results show firstly the significant influence of the steel-concrete interface condition on corrosion initiation and propagation. In the propagation period, two different phases were observed: In the first phase, pitting corrosion attacks (local corrosion) lead to concrete cracking characterized by small width cracks propagating along the reinforcing bars and in front the pitting attacks. In the second phase, due to the presence of these cracks, the local corrosion turns to a generalised corrosion propagating all along the reinforcing bars and leading to an important increase of the corrosion cracks width. This last point is totally in connection with the other part of the work carried out on large size reinforced concrete beams, which were 22 years old at the beginning of the thesis and in corrosion propagation phase since many years. The investigations performed on these old beams confirm the results obtained on the high size concrete members experiments (i. E. The propagation period divided into two different phases: local and generalised corrosion). A model was already developed in the past allowing predicting the corrosion state of the reinforcing bars from the cracks width during pitting corrosion period. To generalise the model to the whole corrosion process, a new model is proposed in this thesis linking the generalised corrosion in term of steel cross-section reduction to the corrosion cracking geometry and width. These results are important because representatives of the natural process. Indeed, these two different phases in the corrosion propagation period do not exist in usual accelerated tests under electric current. According to this new approach of the corrosion propagation phase, a new model is proposed for the assessment of reinforced concrete structures serviceability versus corrosion. During the pitting corrosion phase, the serviceability of the structural members is only affected by the steel-concrete bond reduction leading to a global deflection increase. At this stage the steel cross-section reductions are so local that they do no affect the global behaviour. Then, in the second propagation phase, the generalisation of the corrosion, which leads to a homogeneous steel loss all along the reinforcing bars, is taken into account as a coupled effect of the cross-section and bond reduction. At last, experiment performed up to failure on one 23 years old beam confirms the direct correlation between the reduction of the bearing capacity and in steel cross-section. Finally, the long term experiments carried out on the old reinforced concrete beams show that reinforced concrete structures can perfectly ensure a good quality of serviceability for a very long time in corrosion propagation period. Regarding the structural performance reduction, results have shown that the propagation period can be as long as the initiation phase in the service life. Therefore, the propagation period should be considered as a normal step in the service life span

Cette thèse a pour objectif de caractériser et de modéliser le comportement mécanique du béton à l’échelle mésoscopique. Ce modèle consiste à représenter le béton comme un milieu biphasique pâte / granulats en respectant la courbe granulométrique. Les paramètres du modèle sont ceux qui décrivent les comportements mécanique et thermique de la pâte de ciment et des granulats. Un programme de tirage aléatoire de la structure granulaire valable en 2D et en 3D a été développé. Ce programme est interfacé avec le code de calcul Cast3M qui permet d’effectuer les simulations numériques. Le modèle de comportement utilisé est un modèle d’endommagement isotrope unilatéral. Une méthode de représentation numérique des inclusions du béton a été également développée et validée par projection de la géométrie sur les fonctions de forme, éliminant anisi les problèmes de maillage. Le modèle est d’abord utilisé pour optimiser le modèle géométrique et la plus petite taille des granulats à modéliser. Les résultats du modèle 2D et 3D sont analysés et comparés dans le cas de sollicitations de traction et de compression uniaxiale. Le modèle permet de simuler le comportement macroscopique mais aussi local avec des résultats intéressants sur la transition entre l’endommagement diffus et localisé, sur les ouvertures de fissures et reproduit les effets de dilatance en compression. Enfin, le modèle mésoscopique a été appliqué dans trois cas de simulations : le calcul de la perméabilité de bétons fissurés ; la simulation de l’hydratation du béton au jeune âge et enfin des calculs de structures avec la mise en évidence de l’effet d’échelle sur des poutres entaillées
This thesis aims at characterising and modeling the mechanical behavior of concrete at the mesoscopic scale. This model is to represent the concrete as a heterogeneous medium, taking into account aggregate and cement paste respecting the grading curve. The model parameters describe the mechanical and thermal behavior of cement paste and aggregates. A program of random granular structure valid in 2D and 3D has been developed. This program is interfaced with the Finite Element code CAST3M in order to compute the numerical simulations. A method for numerical representation of the inclusions of concrete was also developed and validated by projection of the geometry on the shape functions, thus eliminating the problems of meshing. Firstly, the model is studied in order to optimize the geometrical model of the inner structure of concrete in terms of the meshing strategy and the smallest size of the aggregate to be taken into account. The results of the 2D and 3D model are analyzed and compared in the case of uniaxial tension and uniaxial compression. The model used is an isotropic unilateral damage model. The model allows to simulate both the macroscopic behavior but also with the local studies of the distribution of crack and crack opening. The model shows interesting results on the transition from diffuse to localized damage and is able to reproduce dilatancy in compression. Finally, the mesoscopic model is applied to three simulations : the calculation of the permeability of cracked concrete ; the simulation of the hydration of concrete at early age and finally the scale effect illustrated by bending computation on notched beams

L'évolution de la fissuration provoquée par le retrait de dessiccation est étudiée expérimentalement sur le béton et sur un matériau modèle: l'argile. Les données de cette évolution sont analysées avec différentes techniques, notamment l'analyse d'images. Cette étude montre que les fissures commencent par des amas non connectés et tendent progressivement vers des réseaux autosimilaires, puis des réseaux à maille homogène. Un effet d'échelle est mis en évidence en ce qui concerne l'espacement entre fissures. Un modèle numérique simple, analogue électrique, prenant en compte l'hétérogénéité du milieu permet de valider certaines des observations expérimentales et d'identifier l'influence de paramètres non mesurés pendant l'expérimentation, tels que l'ouverture et le nombre de fissures. Le rôle du désordre est aussi directement accessible dans le modèle

Ce travail a pour but l'élaboration d'un code d'éléments finis pour le calcul des structures planes en béton armé sous charges monotones. La représentation "répartie" est utilisée tant pour les armatures que pour les fissures. Le béton est considéré comme un matériau élastoplastique écrouissable en compression avec une loi d'écoulement non-associée et élastique fragile en traction. Pour l'acier une loi élastique-parfaitement plastique est adoptée. L'adhérence acier-béton et 1'engrènement sont introduits par des formulations totales non-linéaires réversibles, tandis que pour l'effet de goujon un modèle linéaire a été adopté. La réponse d'un élément fissuré est obtenue par la considération des phénomènes ci-dessus. Une nouvelle stratégie de résolution a été conçue qui permet de suivre les fissurations des éléments une par une afin de bien tenir compte de ce phénomène particulièrement dépendant du trajet de chargement. Les prévisions du programme ont été comparées avec les données expérimentales sur trois exemples de structures. Les résultats sont globalement prometteurs et plusieurs aspects de la réponse des structures ont été approchés d'une façon satisfaisante. D'autre part, des indications sont obtenues sur des améliorations futures et notamment vers l'utilisation d'éléments d'ordre supérieur et l'adoption de modèles plus fins pour les phénomènes mentionnés.

Mise au point d'un modèle non linéaire caractérisant la tenue ultime des structures constituées de poutres en béton armé. Analyse critique des théories actuelles (plasticité globale et endommagement). Nécessité d'une formulation nouvelle incluant les deux non-linéarités. Formulation d'un modèle complet applicable aux situations accidentelles les plus courantes en particulier aux sollicitations sismiques. Après son implémentation dans un programme de calcul par éléments finis, on effectue deux calculs de démonstration dans le cas d'une poutre en flexion 4 points avec dilatation de membrane libre ou bloquée.

La corrosion des armatures, provoquée par la pénétration des chlorures, est une des causes principales de la dégradation des structures de béton armé en Amérique du Nord. La prédiction de la pénétration de ces ions dans le béton par un modèle numérique permettra, à terme, de planifier et quantifier correctement les interventions à réaliser sur une structure dégradée ou vieillissante. Plusieurs facteurs, telles que la température et l’humidité relative de l’air, ont un effet marqué sur le mouvement des ions chlorures à l’intérieur du béton. Leurs effets, de même que le degré réel d’exposition des structures aux chlorures, sont encore mals compris. Ce projet de recherche a comme objectif d’évaluer l’influence des conditions extérieures auxquelles les structures sont soumises sur l’intensité et la vitesse de pénétration des ions chlorures dans le béton. Il a aussi pour but la validation du modèle par éléments finis STADIUM® sous ces nouvelles conditions limites. L’effet de la température, de la variation de l’humidité relative de l’air et de l’application de certains types de protection du béton ont été mesurés en laboratoire par des profils de pénétration des chlorures dans le béton. Des simulations numériques ont été réalisées en imposant les mêmes conditions d’exposition que celles étudiées. La comparaison des résultats expérimentaux et numériques ont permis de constater la précision du modèle à prédire les concentrations en chlorures au niveau des armatures. Un volet in situ a porté sur les conditions d’exposition de structures de stationnements multiétagés en service. La température et l’humidité relative de l’air à l’intérieur des ouvrages ont été mesurées. Bien que la quantité de sels apportée par les voitures sur les dalles des stationnements soit une donnée inconnue, les concentrations en chlorures présentes dans les différentes phases de l’eau à la surface du béton ont été mesurées régulièrement pendant trois hivers. La variabilité et l’intensité des résultats obtenus offrent une vision unique et nouvelle des conditions d’exposition réelles des stationnements multiétagés.
The corrosion of steel in reinforced concrete by the penetration of chlorides is one of the primary causes of concrete degradation in North America. The prediction of chloride ingress in concrete by numerical modeling will lead to better planning and evaluation of the repair and maintenance needs of degrading and aging structures. Several factors, such as air temperature and relative humidity, affect the movement of chloride ions inside concrete. Their effects and the real exposure conditions of structures to chlorides are still not well understood. The goal of this research project is to evaluate the influence of the exposure conditions of structures on the penetration of chloride ions. The objective is also to validate the finite element model STADIUM® under the new exposure conditions. The effect of temperature, variation of air’s relative humidity and application of certain types of protection on concrete surfaces were measured by chloride profiles in laboratory. Numerical simulations were conducted, imposing similar exposure conditions to those studied. The comparison between experimental and numerical results shows the precision level of the model in predicting the chloride concentration at rebar level. The in situ part of the program concentred on exposure conditions of in service multistage parking structures. The air temperature and the relative humidity inside the structures were measured. The amount of salt brought by cars on the parking’s slabs is unknown, however, chloride concentrations in the various phases of water present at the surface of the concrete have been measured regularly during three winters. The variability and intensity of the results obtained offer a unique and new vision of real exposure conditions of multistage parking structures.

Dans le cadre du projet de stockage en couche profonde des déchets radioactifs à Moyenne Activité et à Vie Longue (MA-VL) initié par l'Andra (Agence Nationale pour la Gestion des Déchets Radioactifs), le comportement à long terme de Bétons à Hautes Performances (BHP) sous sollicitations Thermo-Hydro-Mécaniques (THM) variables est étudié afin de prédire la tenue des ouvrages dans le temps. Le travail de cette thèse se décompose en trois parties qui visent à améliorer la compréhension du rôle de chaque sollicitation THM de manière dissociée ainsi que leurs couplages. Tout d'abord, un nouveau modèle basé sur des constations expérimentales d'études antérieures est proposé pour expliquer et simuler la Déformation Thermique Transitoire (DTT). Ce modèle présente l'originalité d'intégrer un couplage THM basé sur des mouvements d'eau entre deux échelles de pores (nanopores des C-S-H et réseau capillaire). Dans un second temps, une étude expérimentale du comportement différé du BHP, retrait et fluage en compression uniaxiale, à 20 °C en endogène ou à 50% HR est menée, sous charge variable modérée et/ou intense et sur différentes géométries de corps d'épreuves (cylindres 11 x 22 cm3 et anneaux), afin de vérifier, d'une part, que le modèle est capable de reproduire les évolutions des déformations sous charge quels que soient l'historique de chargement, son intensité, et l'état de consolidation du béton, et d'autre part, que les calages du modèle sur une géométrie cylindrique permettent bien de prédire un état de déformation réaliste sur une géométrie annulaire similaire à celle des tunnels de l'Andra (à l'échelle 1/25ème). Enfin, la dernière partie de ce travail consiste à proposer une modélisation des déformations en condition de dessiccation. Cette dernière partie intègre le modèle de DTT ainsi que la prise en compte d'une microfissuration d'origine hydrique conduisant à une amplification des contraintes effectives dans la direction de chargement. Ce phénomène est modélisé par un endommagement hydrique. Le modèle complet est par la suite testé sur les données expérimentales issues de cette thèse ainsi que sur des résultats de la littérature. L'ensemble des travaux menés permet d'améliorer notre compréhension des phénomènes physiques à l'origine des déformations du béton et de proposer un modèle intégrant les couplages THM pouvant être utilisé pour simuler le comportement des ouvrages sous sollicitations variables dans l'espace et dans le temps
Within the framework of the future underground disposal structures of Intermediate Level Long-Life nuclear wastes steered by Andra (the French National Agency for Nuclear Waste Management), the delayed behaviour of High Performance Concrete (HPC) under variable Thermo-Hydro-Mechanical (THM) solicitations is studied to predict the long-term performance of the structures. The study contains three parts that aim to improve knowledge of each THM solicitation and their couplings effects. First of all, a model based on experimental results is proposed to explain and simulate the Thermal Transient Deformation (TTD) with a Thermo-Mechanical coupling using water movements between two porous types (C-S-H nanopores and capillary pores). Secondly, the study of delayed strain of a HPC at 20 °C in autogenous or desiccation (50% RH) conditions are led under variable mechanical stress, moderate and intense levels of loading, and different samples geometries (cylinder 11 x 22 cm3 or ring) in order to verify, in one hand, the capacity of the model to reproduce the strains evolutions under loading whatever the history of loading, the level of loading, and the concrete consolidation state, and, in the other hand, if the model fitted on cylinders results is able to simulate the behaviour of a circular geometry analogous to the Andra's tunnel, but at a reduced scale (1/25th). Finally, the last part of this research consists of simulating the desiccation strain. In this part, the need resorting to a hydric damage modelling and to consider the loading effect amplification is shown. Finally, the model is tested on strains measured during this study and on literature data. This work allows to improve the understanding of the physical phenomena at the origin of delayed strains, and to propose a model which integrates THM couplings and able to simulate structure behaviour under various solicitations over space and time

Le comportement des structures en béton armé (BA) et en béton précontraint (BP) exposées au feu est une thématique de recherche importante en génie civil. Actuellement, le comportement de l'interface béton-acier à haute température et la simulation thermomécanique non linéaire des structures en béton sont des verrous à lever. Ces deux questions font l'objet de cette thèse. Après avoir fait un état de l'art sur le comportement à froid de l'interface béton-acier, un modèle à haute température est proposé ainsi que son intégration numérique dans le code de calcul ANSYS. Puis, les performances de plusieurs modèles non linéaires du béton ont été analysées. Finalement, des méthodologies de modélisation du transfert thermique et du comportement mécanique des structures exposées au feu ont été proposées et validées à travers des simulations d'essais

Les structures en béton armé sont amenées à répondre à différentes exigences pouvant dépasser la simple résistance mécanique. Pendant le processus de fissuration, les contraintes dans le béton armé sont progressivement redistribuées entre l'acier et le béton via l'interface entre ces deux matériaux. Cette redistribution de contraintes a un impact direct sur l'état de fissuration final et doit donc être prise en compte dans la modélisation. Il existe différents modèles numériques capables de représenter les effets de la liaison acier-béton. Cependant, leur usage est, pour l'instant, incompatible avec les applications concernant les structures de grandes dimensions (difficultés de maillage, coût de calcul...). Dans ce cadre d'application, l'hypothèse de liaison parfaite entre l'acier et le béton (déplacement identique) est donc toujours utilisée. On se propose ici de développer un nouveau modèle éléments finis de liaison acier-béton qui soit à la fois représentatif des phénomènes physiques se produisant à l'interface entre les deux matériaux et compatible avec les contraintes de modélisation des structures de grandes dimensions. Ce travail de thèse se découpe en trois grandes parties : - le développement d'un modèle élément fini de liaison acier-béton adapté aux contraintes de modélisation des structures de grandes dimensions. Ce modèle numérique permet ainsi de tenir compte des interactions mécaniques entre le béton et les armatures d'acier représentées à l'aide d'éléments barres. - la caractérisation du comportement de la liaison acier-béton. Un modèle de loi d'adhérence (évolution de la contrainte d'adhérence en fonction du glissement) basé sur des observations expérimentales (campagne expérimentale de pull-out menée au cours de la thèse et données bibliographiques) est proposé. Il permet en particulier de différencier le cas d'une rupture par arrachement, d'une rupture par éclatement en tenant compte des caractéristiques matériaux et géométriques de la structure. - l'application du modèle proposé à un élément structurel (poutre). Un essai de poutre en flexion quatre points visant à caractériser l'évolution de la fissuration (évolution de l'ouverture de fissure mesurée à l'aide de la technique de corrélation d'images notamment) a ainsi été proposé. Ces résultats ont ensuite été comparés à ceux de simulations numériques tenant compte de la liaison acier-béton d'une part ou de l'hypothèse de liaison parfaite d'autre part. Les deux modélisations donnent une bonne approximation du comportement extérieur de la structure (comportement global et ouvertures de fissure des surfaces extérieures de la poutre). Le modèle de liaison acier-béton apporte cependant une meilleure caractérisation de la phase de fissuration active (apparition des fissures) et modifie plus particulièrement le comportement local de la structure à proximité directe des armatures (limitant le développement de l'endommagement du béton le long des renforts).

Ce travail de thèse porte sur l’analyse de l'impact de la corrosion sur la durabilité des structures renforcées par ancrage. L'étude est basée sur des analyses théoriques ainsi que la modélisation expérimentale et numérique.Le travail débouche sur le développement d'une nouvelle méthode pour évaluer la durabilité des structures renforcées par ancrage. L'originalité de ce travail réside dans l'utilisation d’un modèle visco-plastique, ainsi que la méthode de l'élément composite pour l'analyse des contraintes et des déformations induites par la corrosion dans le béton renforcé par ancrage.Les principaux résultats de ce travail sont:• Le mécanisme de corrosion du béton renforcé par ancrage est revisité et discuté.• Des formules théoriques sont établies pour les contraintes induites par la corrosion, elles sont ensuite appliquées à l'analyse des expériences réalisées en laboratoire.• Un modèle 3D est développé pour étudier le champ de contraintes induites par les actions conjointes de la force d'arrachement et la force d'expansion par la rouille.L'analyse de la répartition des contraintes dues à l’expansion montre que la contrainte axiale du boulon décroit selon une fonction exponentielle. Dans le plan perpendiculaire au boulon, la contrainte radiale au sein de la couche de mortier passe de la traction à la compression ; la contrainte de cisaillement entre le boulon et le mortier suit une variation linéaire
The thesis includes analysis of the impact of corrosion on the durability of blot-reinforced structures. The study is based on theoretical analyses as well as experimental and numerical modeling. The work results in establishing a new method to evaluate the durability of corroded anchorage system. The originality of this work lies on the use of the visco-plastic theory as well as the composite element method for the analysis of stresses and strains induced in the blot-reinforced concrete by the corrosion.The principle achievements of this work are:• The corrosion mechanism of blot-reinforced concrete is revisited and discussed.• Theoretical formulas of corroded expansion force are established and applied to the analysis of laboratory experiments.• A spatially analytical model of bolt rust is established to study the 3D stress field of the bolt under the joint action of pullout force and rust expansion force.Analysis of the stress distribution due to expansion shows that the axial stress of the bolt is distributed in the form of exponential decay function; in the plane perpendicular to the bolt, radial stress within the mortar protective layer is in transition from tensile stress to compressive stress, shear stress between the bolt and mortar follows linear variation

Le creusement des tunnels en milieu urbain a connu un essor considérable ces dernières décennies, avec des projets de plus en plus ambitieux. L’un des enjeux majeurs des ingénieurs et d’assurer à la fois la sécurité des travaux de construction et celle des avoisinants, souvent dans un contexte de plus en plus complexe. Dans ce cadre-là, les ingénieurs cherchent à améliorer leur modèle de calcul de l’ouvrage souterrain, qui en plus de l’aspect tridimensionnel et fortement non linéaire, doit prendre en compte le comportement des éléments de l’ouvrage de soutènement, constitué principalement de voussoirs formant l’anneau des tunnels par assemblage mécanique en eux. Dans certaines configurations, la connaissance du comportement des liaisons entre voussoirs est primordiale, car elle peut influencer de manière substantielle les méthodes de calcul.Le cadre de cette thèse s’inscrit dans cet objectif de mieux comprendre et de proposer des améliorations aux outils de calcul des soutènements des tunnels revêtus par des anneaux de voussoirs.Le premier objectif de ce travail est d’évaluer la fiabilité des approches existantes dans la littérature sur l’influence de la présence des joints dans la structure d’un tunnel. Le deuxième objectif est de proposer une modélisation numérique pratique du joint avec une loi de comportement tenant compte de toutes les non-linéarités des paramètres matérielles et géométriques qui influent sur le comportement du joint.Une étude comparative numérique des différentes méthodes existantes dans la littérature est d’abord abordée. Sur la base de données issues de la littérature, il est noté que les différentes méthodes fonctionnent mais à condition de pouvoir les calibrer à des données de chantier parfois indisponibles. Une limitation des méthodes existantes est donc observée, d’où la nécessité de décrire le comportement du joint de la manière la plus pertinente en fonction de la géométrie et des caractéristiques des joints.Le deuxième objectif de la thèse est de proposer un modèle de calcul par élément fini tridimensionnel capable de prendre en compte le comportement local complexe des joints à travers une approche globale, sur la base d’essais de flexion quatre points de deux voussoirs et d’un joint longitudinal. Une étude paramétrique est appliquée sur cette simulation pour étudier l’influence des paramètres reliés aux non-linéarités matérielles et à la géométrie de l’interface sur le comportement du joint. Une loi de comportement du joint longitudinal (Moment en fonction de rotation) non-linéaire est proposée et validée avec les essais expérimentaux. Les calculs sont également étendus au comportement non linéaire du béton, avec la prise en compte de la plasticité et l’endommagement du béton.La dernière partie vise à fournir une approche pratique pour modéliser le macroélément du joint longitudinal par éléments finis unidimensionnels. Cette méthode simplifiée est capable de prendre en compte le comportement local complexe (prise en compte de toutes les non-linéarités des paramètres matérielles et géométriques qui influent sur le comportement du joint : Nombre de boulons, épaisseur de voussoir, chargement, l’endommagement, résistance de joint...) par une approche globale. La fiabilité du modèle proposée a été confirmée par de bonnes correspondances entre les résultats obtenus par simulation et le comportement observé des essais expérimentaux
Tunneling in urban areas has grown considerably in recent decades, with increasingly ambitious projects. One of the major challenges for engineers is to ensure both safety during the construction work and its surrounding in an increasingly complex context. Engineers seek to improve their calculation models of the underground structure, beyond the three-dimensional and highly non-linear aspects, most take into account the behavior of the support structure elements, which mainly consist of segments forming the ring of the tunnels by mechanical assembly within them. In certain cases, knowing the detailed behavior of the joints connecting the segments is essential, as it can substantially influence the calculation methods.The framework of this thesis is in line with the objective of better understanding and proposing improvements to the calculation tools for tunnel lining with segmental rings.The first objective of this work is to evaluate the reliability of existing approaches in the current literature with regards to the influence of joints in the tunnel structure. The second objective is to propose practical numerical modeling for the joint with a behavioral law that takes into account all the non-linearities of the material and geometrical parameters that influence the joint behavior.A comparative numerical study of the existing methods is done and introduced in the literature review. Based on the data gathered from the study, it has been noted that the different methods generally work well, but on condition that they can be calibrated to data which is sometimes unavailable. Therefore, a limitation of the existing methods is observed, hence the need to describe the joint behavior in the most relevant way according to geometry and joint characteristics.The second objective is to propose a three-dimensional finite element model capable of taking into account the complex local behavior of the joints through a global approach, based on four-point bending tests of two segments and a longitudinal joint. A parametric study has been done on this model to study the influence of parameters related to material non-linearities and interface geometry on the joint behavior. A non-linear longitudinal joint behavior law (Moment versus rotation) is proposed and validated with experimental tests. The calculations are also extended to the non-linear behavior of concrete, taking into account the plasticity and damage on the concrete.The last part aims at providing a practical approach to model the longitudinal joint macro-element by one-dimensional finite element. This simplified method takes into account the complex local behavior, including the non-linearities of the material and geometrical parameters that influence the joint behavior (number of bolts, the thickness of the segment, loading, damage and joint resistance...) through a global approach. The reliability of the proposed model was confirmed by good correspondence between the simulation results experimental tests

Dans un contexte de performance énergétique et de durabilité dans le secteur du bâtiment, la maîtrise du comportement hygrothermique des matériaux d'enveloppe, notamment hygroscopiques, est essentielle. Les travaux réalisés concernent la compréhension et la modélisation des transferts de chaleur et d'humidité au sein d'une paroi multicouche de bâtiment composée de matériaux biosourcés.Une attention particulière est portée sur les phénomènes d'hystérésis observés sur les isothermes de sorption. Un modèle numérique 1D développé sur COMSOL Multiphysics est exploité pour simuler en régime transitoire les champs de température et de pression de vapeur dans trois situations. La première concerne l'étude du comportement hygrothermique de matériaux fortement hygroscopique (béton de chanvre) et faiblement hygroscopiques (enduits à base de chaux) soumis à diverses variations cycliques d'humidité relative. Un bon accord est constaté entre les simulations et des mesures d'humidité relative, de température et de teneur en eau. Néanmoins, les résultats présentent une forte sensibilité aux propriétés hydriques. Dans un second temps, une étude est menée sur une paroi de béton de chanvre instrumentée placée dans une enceinte bi-climatique et exposée à des variations de température et d'humidité relative. La confrontation des évolutions mesurées et calculées montre la nécessité de bien définir le champ de teneur en eau initiale. La dernière étude concerne une paroi multicouche (béton de chanvre et enduits). Il apparaît que les enduits jouent un rôle important sur le comportement de la paroi et il est nécessaire de prendre en compte l'influence de la température sur les courbes de sorption
In a context of energy efficiency and durability in the field of building, the understanding of hygrothermal behaviour of building materials, especially hygroscopic ones, is essential. This study aim to understand and model heat and moisture transfers in a multi-layer building wall made of biosourced materials. We focus in particular on hysteretic phenomena observed on sorption isotherms. A one-dimensional numerical model developed with the COMSOL Multiphysics software is used to simulate transient temperature and vapour pressure in three situations. The first one is about the hygrothermal behaviour of materials, highly hygroscopic (hemp concrete) and lowly hygroscopic (lime-based plasters), exposed to several cyclical variations of relative humidity. A good agreement is observed between simulated and measured values of relative humidity, temperature and moisture content. However, results are highly sensitive to hydric properties. Then, a study is performed on an instrumented hemp-concrete wall built in a bi-climatic chamber and exposed to simultaneous temperature and relative humidity variations. The confrontation between measured and simulated values shows the importance of initial moisture content

L’équilibre de la contrainte dans les revêtements de galeries souterraines à grande profondeur, ou dans des roches meubles, est un phénomène complexe. Il résulte du comportement couplé du terrain et du béton de revêtement. Le caractère fluant de la roche implique une mise en charge progressive du revêtement de la galerie et l’amplitude de ce phénomène est fortement liée à la rigidité de ce dernier. Les calculs permettant de prédire la contrainte générée dans le revêtement sont généralement réalisés en intégrant des modèles très aboutis dans le terrain, mais les résultats peuvent montrer une contrainte beaucoup plus élevée que ce qui est mesuré sur ouvrage réel. Les sources d’erreur de ces modèles peuvent être multiples et ces différences peuvent s’expliquer par l’omission de certains phénomènes pouvant influer sur l’équilibre de la contrainte de revêtement.Au travers de différentes approches à complexité croissante, les phénomènes pouvant influer sur l’évolution de la contrainte au sein des revêtements de galeries souterraines profondes ont été étudiés. Ces phénomènes peuvent être liés au comportement du béton de revêtement ou à celui du terrain. Une approche semi-analytique de type convergence-confinement a été développée en intégrant les effets différés du terrain par un modèle phénoménologique de Singh-Mitchell ainsi que le fluage et le retrait du béton de revêtement par les modèles empiriques des Eurocodes. Cela a permis de déterminer un ordre de grandeur des différents phénomènes et de sélectionner ceux ayant un effet significatif. De plus, grâce à une analyse des données expérimentales sur les ouvrages de Chamoise et de Bure, nous avons pu montrer que l’évolution de la vitesse de contrainte dans le revêtement semble suivre une évolution linéaire dans le plan log⁡(dσ)/log⁡(t) avec une pente qui semble constante en dépit des différences entre les ouvrages. L’étude de ces données expérimentales a également permis de quantifier les effets différés du béton de revêtement à travers l’analyse des mesures de contrainte et de déformation.Le deuxième niveau de complexité intègre le modèle de comportement viscoplastique L&K à un modèle numérique. Afin d’étudier l’amplitude de ces phénomènes de manière plus précise, dont les effets peuvent dépendre de la méthode de mise en œuvre, nous avons défini deux cas de référence. Ces deux cas correspondent aux deux configurations les plus couramment rencontrés en travaux souterrains, à savoir une galerie creusée de manière traditionnelle à section en fer à cheval et une galerie à section circulaire creusée au tunnelier. Une étude de sensibilité aux paramètres de l’étude ainsi que ceux du modèle a été réalisée afin de déterminer la plage de variation possible du paramètre de pente de la vitesse de chargement.Enfin le troisième niveau de complexité d’analyse intègre un modèle de comportement du béton couplant le modèle mécanique aux effets de l’hydratation et du séchage du béton de revêtement. Une analyse de ces phénomènes a été effectuée sur des éprouvettes au travers d’essais de fluage, puis le modèle a été intégré à un des cas de référence. Cela a permis d’obtenir une meilleure estimation de l’effet du fluage dans les revêtements de galerie qui semble être le phénomène prépondérant à la modification de l’évolution de la contrainte dans le revêtement
Stress equilibrium in concrete lining of deep tunnels, or in soft rocks, is a complex phenomenon. It results from the coupled behavior of the rock and the concrete of the lining. The creep behavior of the rock implies a progressive loading of the gallery lining. The magnitude of this phenomenon is strongly related to the rigidity of the concrete lining. Numerical simulation led to predict the stress generated in the lining are generally done by integrating very complex models in rock behavior, but the results can show a higher stress than those measured in real galleries. The origin of the mistakes in these numerical models can be multiple. These differences can be explained by the omission of certain phenomena which can influence the balance of the stress in the lining.Through various approaches with increasing complexity, the phenomena that can influence the evolution of the stress in deep underground tunnel lining have been studied. These phenomena can be related to the behavior of the concrete lining or to the behavior of the ground. A semi-analytical convergence-confinement approach have been developed by integrating the long term behavior of the ground effects with a Singh-Mitchell phenomenological model. The creep and shrinkage of the concrete lining follow an empirical model of Eurocode. This allowed for determining an order of magnitude of the different phenomena and to select those having a significant effect. Moreover, thanks to an analysis of experimental data on the Chamoise and Bure galleries, we have been able to show that the evolution of the stress velocity in the lining seems to follow a linear evolution of log⁡(dσ)/log⁡(t) with a constant slope despite the differences between the structures. The study of these experimental data have quantified the long time behavior of concrete lining through the analysis of stress and strain measurements.The second level of complexity integrates the L&K viscoplastic model into a numerical model. In order to study more precisely the amplitude of these phenomena, their effects can depend on the method of construction, we have defined two reference cases. These two cases correspond to the two configurations most commonly encountered in underground structures: the first is a gallery excavated in a traditional way with a horseshoe section, the second one is a tunnel with a circular section dug with a TBM. A sensitivity study of the parameters of the numerical model, and of the L&K model was performed to determine the possible range of variation of the concrete lining stress velocity parameter.Finally, the third level of complexity integrates a concrete model coupling the mechanical model to the effects of hydration and drying of the concrete. An analysis of these phenomena will be performed on samples through creep tests in the numerical model, then the model will be integrated into one of the reference cases. This will provide a better estimation of the effect of concrete lining creep, which appears to be the most noticeable effect on concrete lining stress evolution

Ce travail de thèse concerne la modélisation du béton et des ouvrages en béton soumis à des sollicitations allant du quasi statique à la dynamique rapide, tout en prenant en compte de la présence d'eau libre dans les pores du béton. L'objectif est la mise au point d'un outil prévisionnel de simulation capable de décrire le comportement du béton et des structures en béton, en tenant compte des effets du taux de saturation. Le choix des Éléments Discrets pour cette modélisation est justifié par les phénomènes discontinus qui apparaissent dans le béton, tel que la fissuration, la fragmentation ou l'écaillage. Les Éléments Discrets permettent de reproduire de manière fiable et efficace le comportement discontinu local ainsi que la réponse globale de la structure.La première partie de ce travail concerne la simulation d'essais quasi-statiques sous sollicitations uniaxiales et triaxiales fortement confinées, avec la prise en compte du phénomène de compaction. Les effets de l'eau libre contenue dans les porosités sont pris en compte par l'introduction d'une dépendance entre le taux de saturation en eau et la déformation inélastique. La procédure d’identification des paramètres du modèle est présentée. Enfin, le modèle est validé en reproduisant le comportement quasi-statique du béton par différents essais. La deuxième partie de ce travail est consacrée au comportement dynamique du béton. L'objectif est d'étendre la validation du modèle en simulant des essais d'impacts. Les effets de vitesse sont pris en comptes et des simulations d'impact sur des dalles en béton de différentes épaisseurs sont effectuées. Les résultats obtenus sont en bonne concordance avec les résultats expérimentaux
This thesis concerns the modeling of concrete and concrete structures subjected to stresses ranging from quasi-static to dynamic loading, taking into account the presence of free water in pores. The objective is the development of a predictive simulation tool capable of describing the behavior of concrete and concrete structures, taking into account the effects of saturation ratio. The choice of discrete elements for modeling is justified by the discontinuous phenomena that appear in the concrete, such as cracking, fragmentation, spalling and scabbing. Discrete Elements can reproduce reliably and efficiently the local discontinuous behavior and the overall response of the structure.The first part of this work concerns the simulation of quasi-static tests under uniaxial and highly confined triaxial loadings, taking into account the compaction phenomenon. The effects of the free water contained in the pores are taken into account by introducing a dependency between the water saturation level and the inelastic deformation. The identification process of the model parameters is presented. Finally, the model is validated by reproducing the quasi-static behavior of concrete in different tests.The second part of this work concerns the dynamic behavior of concrete. The aim is to extend the validation of the model by simulating impact tests on concrete slabs of different thickness. The dynamic effects are taken into account and impact simulations on concrete slabs of different thickness are made. The results are in good agreement with experimental results

Cette thèse contribue à la modélisation de la variabilité spatiale de la résistance à la traction des structures en béton, à différentes échelles, et son influence sur la fissuration du béton. En particulier, une loi d'effet d'échelle et des champs aléatoires sont utilisés à l'aide de deux approches:D'une part, une approche analytique probabiliste de la méthode Weakest Linkand Localization (WL2) est proposée. Cette méthode estime la distribution de la résistance à la traction, à différentes échelles, en tenant compte des redistributions des contraintes autour du point le plus faible. Cela dépend d'une longueur d'échelle, dont l'identification est discutée. Cette longueur d'échelle explique le caractère aléatoire de la résistance à la traction du béton.D'autre part, une autre contribution de cette thèse est le développement d'une méthode Élément Fini Stochastique (EFS), utilisée pour modéliser l'effet d'échelle et la variabilité spatiale de la résistance à la traction. La méthode consiste d'abord à définir un champ aléatoire, en utilisant la résistance à la traction réduite estimée à partir de l'approche analytique de WL2. Ensuite, des réalisations de champs aléatoires autocorrélées discrétisées sont générées. En outre, le choix des paramètres d'autocorrélations, utilisés pour définir les champs aléatoires, est discuté.L'applicabilité des deux méthodes est évaluée à l'aide de différentes séries expérimentales présentant des effets d'échelle particulièrement statistique. En outre, la méthode EFS est utilisée pour compléter le modèle EF simplifié de la maquette d'enceinte à double paroi VeRCoRs (échelle 1/3). Les incertitudes sur la résistance à la traction, à cette échelle, sont modélisées à l'aide d'un champ aléatoire autocorrelé indépendant à chaque levée. La propagation des incertitudes, à l'état initial, montre sa pertinence dans l'estimation des positions de fissures
This thesis is a contribution to the modeling of the spatial variability of tensile strength of concrete structures, at different scales, and its influence on concrete cracking pattern. Particularly, a size effect law and random fields are used through two approaches:On the one hand, an analytical probabilistic approach of the Weakest Link and Localization (WL2) method is proposed. This method estimates the distribution of the tensile strength, at different scales, accounting for the stress redistributions around the weakest point.It depends on a scale length, whose identification is discussed. This scale length accounts for spatial randomness of the concrete tensile strengthOn the other hand, another contribution of this thesis is the development of a Stochastic Finite Element (SFE) method, used to model both size effect and the spatial variability of the tensile strength. The method consists first on defining a random field, using the mean tensile strength estimated from the analytical approach of WL2. Then, discretized autocorrelated random field realizations are generated. Moreover, the choice of autocorrelation parameters, used to define the random fields, is discussed.The applicability of both methods is evaluated using various experimental series exhibiting particularly statistical size effect. Furthermore, the SFE method is used to complete the simplified FE model of a 1/3 mock-up of a double-wall containment building. The uncertainties on the tensile strength, at this scale, are modeled using independent autocorrelated random field at each scale. Uncertainties propagation, at initial state, shows its pertinence in the estimation of crack positions

La durabilité des ouvrages en béton armé est étroitement liée à la composition des matériaux dont ils sont formés, et plus particulièrement aux propriétés de ces derniers. Cette durabilité est caractérisée par des indicateurs parmi lesquels se trouve le coefficient de diffusion des chlorures. Ceux-ci pénètrent le béton et interagissent avec les ions composant la solution interstitielle (contenue dans les pores) ainsi que les composants de la matrice cimentaire. Il existe peu de travaux dans la littérature qui décrivent toutes ces interactions ioniques de façon simultanée et encore moins leur prise en compte dans l’étude et la modélisation des transferts. Ce travail de thèse présente une étude des interactions multi-espèces se produisant lors du transfert des ions chlorure. Pour ce faire, l’évolution de la composition de la solution interstitielle, de plusieurs pâtes de ciment contenant diverses additions minérales, est étudiée. La solution interstitielle des pâtes de ciment est extraite suite à un essai de migration par pressage et analysée par chromatographie ionique. Par ailleurs, l’évolution de la microstructure de ces matériaux suite au transfert des chlorures est caractérisée par porosimétrie à intrusion de mercure (PIM) et microscopie électronique à balayage (MEB). Ceci a permis de mettre en évidence les modifications provoquées par la diffusion des ions chlorures. Dans un second temps, et afin de simuler le transfert des chlorures dans la matrice cimentaire, un modèle de transfert multi-espèces est développé. Dans ce sens, plusieurs modèles de transfert mono et multi-espèces, sous l’effet d’un champ électrique ou non, en régime stationnaire et transitoire ont été développés auparavant. L’objectif de cette partie numérique est d’étendre ces modèles à la prise en compte de l’ensemble des ions composant la solution interstitielle ainsi que leurs interactions multi-espèces conduisant à la précipitation de composés à base de chlore et à la dissolution des hydrates. La formulation mathématique des phénomènes étudiés est établie à partir de la loi de conservation de masse et les équations de la thermodynamique. Les conditions initiales et aux limites sont adaptées pour tenir compte à la fois de la composition chimique réelle de l’eau de mer et de celle de la solution interstitielle. Les résultats obtenus permettent de mettre en exergue l’effet de ces phénomènes sur la composition chimique de la solution interstitielle ainsi que sur le transfert des chlorures
The durability of the reinforced concrete structures is closely related to the composition of their materials and, particularly to their properties. This durability is characterized by indicators among which we quote the diffusion coefficient of chlorides. These ionic species penetrate through the concrete and interact with the other species present in the interstitial solution (contained in concrete pores) as well as the cementitious matrix components. In the literature, there is a lake of data describing simultaneously these ionic interactions, especially their consideration in the study or modeling the ionic transport phenomena. This work focuses on the study of multispecies interactions that occur during the chloride transfer. To this purpose, the evolution of pore solutions chemistry of hardened cement pastes manufactured with different mineral additions is investigated. This solution is extracted, before and after migration test, using a specific press and analyzed by ionic chromatography. Furthermore, the microstructure evolution of these cement pastes is characterized by mercury intrusion porosimetry (MIP) and scanning electron microscopy (SEM). This allows highlighting the modification caused by chloride penetration. Secondly, for the modeling of chloride transport in cement based materials, a multispecies transport model is developed. In this context, several mono and multispecies transport models, under an electrical field or not, in transitory or steady state were developed previously. The aim of this numerical study is to extend these models in order to consider the ions present in the interstitial solution and their multispecies interactions leading to the precipitation of new chloride compound and the dissolution of some hydrates. The mathematical formulation of the phenomena studied was established from the principle of mass conservation and the thermodynamic equations. Initial and boundary conditions were adopted to take into account both the chemical composition of sea water and that of pore solution. Results highlight the effect of these phenomena on the pore solution chemistry and the chloride transport

Une structure en béton doit assurer des fonctions structurales qui vont au delà de la simple résistance. Dans ce cadre, la fissuration du béton armé joue un rôle primordial sur la durabilité, l'étanchéité et même la sûreté des structures. La structure poreuse du béton rend naturellement possible la pénétration au cours du temps d'espèces délétères. En outre, sous l'effet des chargements mécaniques et des conditions environnementales au sens large, le béton se fissure. Les fissures constituent, elles aussi, des voies préférentielles pour la pénétration de fluides ou d'agents agressifs et ajoutent de manière significative leur contribution à la dégradation des performances structurelles. Dans la thèse une stratégie de modélisation macroscopique probabiliste du couplage entre fissuration et transferts de fluides dans les structures en béton est présentée. Le béton est modélisé comme un milieu poreux saturé d'eau tandis que la fissuration (mécanique) est modélisée au travers d'une approche numérique probabiliste tenant compte de l'hétérogénéité naturelle du matériau et des effets d'échelle qu'elle induit. L'hypothèse physique de base du modèle de fissuration est que chaque élément fini peut être considéré comme représentatif d'un volume de matière hétérogène dont le comportement est géré par son degré d'hétérogénéité, défini comme le rapport entre le volume élémentaire et un volume représentatif de l'hétérogénéité du matériau. Dans la formulation développée, les propriétés mécaniques du matériau sont considérées comme des variables aléatoires (non corrélés) distribuées dans les éléments du maillage selon des distributions statistiques validées expérimentalement. Une approche par analyse inverse permet d'accéder aux paramètres de fonctions de distribution qui, selon les hypothèses du modèle, varient en fonction de la dimension des éléments finis. Le couplage fissuration-transfert est traité de manière faible, sous l'hypothèse d'absence d'interaction entre les deux processus (à savoir que la fissuration de l'élément fini, d'origine mécanique, induit une variation locale de sa perméabilité). L'utilisation d'une loi de Poiseuille modifiée et adaptée expérimentalement selon un protocole développé dans le cadre de la thèse permet de mettre en relation une telle variation avec l'ouverture de fissure et de prendre en compte, de manière macroscopique, les principales causes d'écart entre l'écoulement idéalisé, représenté par la loi de Pouiselle, et l'écoulement dans des fissures réelles. Une approche de type Monte-Carlo permet de valider les résultats des simulations mécaniques et hydriques. Les capacités de la stratégie de modélisation proposée en termes de prédiction des débits d'eau en milieu fissuré sont explorées au travers de la simulation d'essais de perméabilité sous charge sur des éprouvettes cylindriques soumises à du fendage. Ces essais sont utilisés dans le cadre du protocole expérimentale. Une première validation à l'échelle d'un élément structurel multifissuré est presentée. Elle consiste en la simulation d'un essai (récemment proposé dans la littérature) developpé pour l'étude de l'impact de la fissuration sur les propriétés de transfert de tirants en béton armé

Cette thèse propose de coupler deux outils préexistant pour la modélisation mathématique en mécanique : l’homogénéisation périodique et la réduction de modèle, afin de modéliser la corrosion des structures de béton armé exposées à la pollution atmosphérique et au sel marin. Cette dégradation est en effet difficile à simuler numériquement, eu égard la forte hétérogénéité des matériaux concernés, et la variabilité de leur microstructure. L’homogénéisation périodique fournit un modèle multi-échelle permettant de s’affranchir de la première de ces deux difficultés. Néanmoins, elle repose sur l’existence d’un volume élémentaire représentatif (VER) de la microstructure du matériau poreux modélisé. Afin de prendre en compte la variabilité de cette dernière, on est amenés à résoudre en temps réduit les équations issues du modèle multi-échelle pour un grand nombre VER. Ceci motive l’utilisation de la méthode POD de réduction de modèle. Cette thèse propose de recourir à des transformations géométriques pour transporter ces équations sur la phase fluide d’un VER de référence. La méthode POD ne peut, en effet, pas être utilisée directement sur un domaine spatial variable (ici le réseau de pores du matériau). Dans un deuxième temps, on adapte ce nouvel outil à l’équation de Poisson-Boltzmann, fortement non linéaire, qui régit la diffusion ionique à l’échelle de la longueur de Debye. Enfin, on combine ces nouvelles méthodes à des techniques existant en réduction de modèle (MPS, interpolation ITSGM), pour tenir compte du couplage micro-macroscopique entre les équations issues de l’homogénéisation périodique
In this thesis, we manage to combine two existing tools in mechanics: periodic homogenization, and reduced-order modelling, to modelize corrosion of reinforced concrete structures. Indeed, chloride and carbonate diffusion take place their pores and eventually oxydate their steel skeleton. The simulation of this degradation is difficult to afford because of both the material heterogenenity, and its microstructure variability. Periodic homogenization provides a multiscale model which takes care of the first of these issues. Nevertheless, it assumes the existence of a representative elementary volume (REV) of the material at the microscopical scale. I order to afford the microstructure variability, we must solve the equations which arise from periodic homogenization in a reduced time. This motivates the use of model order reduction, and especially the POD. In this work we design geometrical transformations that transport the original homogenization equations on the fluid domain of a unique REV. Indeed, the POD method can’t be directly performed on a variable geometrical space like the material pore network. Secondly, we adapt model order reduction to the Poisson-Boltzmann equation, which is strongly nonlinear, and which rules ionic electro diffusion at the Debye length scale. Finally, we combine these new methods to other existing tools in model order reduction (ITSGM interpolatin, MPS method), in order to couple the micro- and macroscopic components of periodic homogenization

In this work, several beam finite element formulations are proposed for failure analysis of planar reinforced concrete beams and frames under monotonic static loading. The localized failure of material is modeled by the embedded strong discontinuity concept, which enhances standard interpolation of displacement (or rotation) with a discontinuous function, associated with an additional kinematic parameter representing jump in displacement (or rotation). The new parameters are local and are condensed on the element level. One stress resultant and two multi-layer beam finite elements are derived. The stress resultant Euler-Bernoulli beam element has embedded discontinuity in rotation. Bending response of the bulk of the element is described by elasto-plastic stress resultant material model. The cohesive relation between the moment and the rotational jump at the softening hinge is described by rigid-plastic model. Axial response is elastic. In the multi-layer beam finite elements, each layer is treated as a bar, made of either concrete or steel. Regular axial strain in a layer is computed according to Euler-Bernoulli or Timoshenko beam theory. Additional axial strain is produced by embedded discontinuity in axial displacement, introduced individually in each layer. Behavior of concrete bars is described by elastodamage model, while elasto-plasticity model is used for steel bars. The cohesive relation between the stress at the discontinuity and the axial displacement jump is described by rigid-damage softening model in concrete bars and by rigid-plastic softening model in steel bars. Shear response in the Timoshenko element is elastic. Finally, the multi-layer Timoshenko beam finite element is upgraded by including viscosity in the softening model. Computer code implementation is presented in detail for the derived elements. An operator split computational procedure is presented for each formulation. The expressions, required for the local computation of inelastic internal variables and for the global computation of the degrees of freedom, are provided. Performance of the derived elements is illustrated on a set of numerical examples, which show that the multi-layer Euler-Bernoulli beam finite element is not reliable, while the stress-resultant Euler-Bernoulli beam and the multi-layer Timoshenko beam finite elements deliver satisfying results.