Modélisation d'éléments de structure en béton armé dégradés par corrosion : la problématique de l'interface acier/béton en présence de corrosion

par Benjamin Richard

Thèse de doctorat en Mécanique, génie mécanique, génie civil

Sous la direction de Christian Cremona.

Le président du jury était Jacky Mazars.

Le jury était composé de Raoul François, Frédéric Ragueneau, Lucas Adelaide, Jean-Louis Tailhan, Christian Crémona.

Les rapporteurs étaient Christian La Laborderie, Alain Millard.


  • Résumé

    Une des causes majeures responsables de la perte de performance des ouvrages en béton armé (fissuration excessive, perte de capacité portante) peut être imputée à la corrosion des armatures présentes dans les éléments structuraux. Ce phénomène est susceptible de se développer soit par carbonatation, soit par pénétration des ions chlorures par le béton d'enrobage. C'est alors que des produits de corrosion apparaissent et génèrent des contraintes de traction qui, dès dépassement de la résistance en traction, favorisent l'apparition de fissures. D'un point de vue pratique, dès que les premières fissures sont remarquées à la surface du béton, la corrosion a généralement atteint un stade avancée et des actions de maintenance doivent être envisagées. Cela entraînent d'importants coûts évitables si une prédiction satisfaisante avait pu être réalisée. Cette étude vise à apporter des éléments de réponse à cette problématique. Deux objectifs essentiels sont considérés dans ces travaux de thèse : le premier consiste à proposer des lois de comportement robuste et satisfaisantes permettant de bien décrire le comportement des éléments de structure existants et le second vise à introduire une méthode probabiliste permettant d'actuali ser les paramètres des deux modèles sur la base de l'information disponible sur le terrain. Un cadre constitutif générique couplant élasticité, endommagement isotrope et glissement interne, thermodynamiquement admissible, est pour cela développé. Cette classe de modèles est particularisée au cas de l'interface acier/béton en présence de corrosion et au cas du béton. Ces dernières peuvent être utilisées non seulement sous chargement monotone mais aussi sous chargement cyclique. Les lois proposées permettent de prendre en compte les effets hystérétiques, les déformations permanentes et l'effet unilatéral. En outre, ces dernières ont été validées sur différents cas tests. Des versions multifibres des lois précédemment mentionnées ont également été développées pour offrir à l'ingénieur des modèles simplifiés. Une prise en compte du caractère imparfait de l'interface acier/béton au sein du formalisme multifibre est notamment considérée. L'étape d'identification des paramètres mat ériaux n'est pas toujours aisée à réaliser en raison d'une part des incertitudes qui entachent ces derniers et, d'autre part, de la méconnaissance des mécanismes locaux. Ainsi, une méthodologie probabiliste complète permettant d'actualiser les paramètres d'entrée sur la base d'observations extérieures est proposée. Elle s'appuie sur une utilisation conjointe des réseaux bayésiens et de la théorie de la fiabilité. Elle permet ainsi de réduire l'écart entre la prédiction numérique et les mesures réalisées sur le terrain. Ce travail de thèse devrait contribuer à fournir aux gestionnaires d'ouvrage des outils d'aide à la décision leur permettant de mieux gérer leurs ouvrages en béton armé

  • Titre traduit

    Modelling of reinforced concrete structures subjected to corrosion : the specific case of the steel/concrete interface with corrosion.


  • Résumé

    A major source of a noticeable loss of performance (excessive cracking, loss of carrying load capacity) can be attributed to the corrosion phenomena induced either by carbonation or by chloride ions ingress. The corrosion products being expansive, tensile stresses are generated and usually lead to the cover concrete cracking when tensile strength is exceeded. From a practical point of view, when first observable signs of degradation are noticed on site, it is generally too late and maintenance actions have to be made. This results in important expenses that could have been avoided if a satisfying prediction had been made. This thesis aims to propose some answers to that problem. Two main objectives have been handled. The first one consists in formulating reliable constitutive models for a better understanding of the mechanical behaviour of existing concrete structures. The second objective aims to develop a probabilistic approach for updating t he mechanical model according to experimental information available on site. A general constitutive framework, thermodynamically admissible, has been proposed coupling elasticity, isotropic damage and internal sliding. This general framework has been declined in two specific constitutive models, on one hand for modelling the steel/concrete interface including corrosion and, on the other hand for modelling the concrete behaviour. Both models are validated on several structural cases. They can be used for monotonic and cyclic loadings. Besides, they account for non linear hysteretic effects, quasi unilateral effect, permanent strains, etc. Simplified versions of the proposed constitutive models are also proposed for engineering purposes within the framework of the multifiber beams theory. In the case of the steel/concrete interface, although a Timoshenko based kinematic is assumed, a non-perfect interface between steel and concrete can be considered locally. The material para meter identification is not always straightforward. Therefore, the use of robust updating methods can improve the accuracy of mechanical models. A complete probabilistic approach based on Bayesian Networks has been proposed. It allows not only considering the uncertainties related to mechanical parameters but also reducing the gap between experimental measurements and numerical predictions. This study provides to stakeholders pertinent decision tools for predicting the structural behaviour of degraded reinforced concrete structures


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