Prise en compte de la liaison acier-béton pour le calcul de structures industrielles

par Anaëlle Torre-Casanova (Torre)

Thèse de doctorat en Mécanique, génie mécanique, génie civil

Sous la direction de Luc Davenne.

Le président du jury était Jacky Mazars.

Le jury était composé de Christian La Borderie, Shahrokh Ghavamian, Ludovic Jason.

Les rapporteurs étaient Frédéric Dufour, Marco Di Prisco.


  • Résumé

    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).

  • Titre traduit

    A steel-concrete bond model for the simulation of industrial structures


  • Résumé

    Reinforced concrete structures may have to fulfill functions that go beyond their simple mechanical resistance. During the cracking process, stresses are progressively transferred from steel to concrete through the steel-concrete interface. This stress transfer has a direct impact on the crack properties. Taking into account these effects seems thus essential to predict correctly the cracking of reinforced concrete structures. Different models exist to represent the steel-concrete bond behavior. However, these models are rarely compatible with large scale simulations (meshing difficulties, heavy computational cost…). To overcome these difficulties, a perfect relation between steel and concrete (same displacements) is generally considered for structural applications. In this contribution, a new finite element approach is proposed to represent the steel-concrete bond effects in a context adapted for large scale simulations. This thesis is divided in three parts: - the development of a finite element steel-concrete bond model adapted for large scale structural applications . This model takes into account mechanical interactions between concrete and steel reinforcement represented by truss elements. - the characterization of the steel-concrete bond behavior. A model for the bond stress-slip law based on experimental observations (experimental campaign on pull-out test carried out during the thesis and data of literature) is proposed. This model differentiates the case of a pull-out failure and of splitting failure and takes into account the material properties and the geometric characteristics of the structure. - an application of the proposed model on a structural element (beam). A four point bending beam is experimentally tested. This test aims to characterize the crack evolution (in particular the crack opening using the image correlation technique). Experimental results are then compared with numerical simulations taking into account the bond–slip effect between steel and concrete or considering the perfect relation hypothesis. The two simulations give a good approximation of the external behavior of the structure (global behavior and crack opening on the external face of the beam). Nevertheless, the bond model improves the cracking description during the active cracking phase (beginning of crack apparition) and influences the local behavior of the structure especially near the steel bars (avoiding the propagation of the damage of concrete along the steel reinforcement).


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