Etude des déformations différées des bétons en compression et en traction, du jeune au long terme : application aux enceintes de confinement

Study of delayed strains for concrete in compression and in tension from early age to long term

• Auteur / Autrice : Adrien Hilaire
• Direction : Farid Benboudjema
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil
• Date : Soutenance le 28/11/2014
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et technologie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1975-2021)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Torrenti, Ahmed Loukili, Matthieu Briffaut, Yves Berthaud, Aveline Darquennes, Georges Nahas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Sellier, Eduardo Fairbairn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Centrales nucléaires -- Conception et construction

Matériaux -- Essais dynamiques

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Mots clés libres

Coefficient de Poisson de fluage

Déformations différées

Structures massives précontraintes

Basic creep Poisson’s coefficient

Creep-cracking interaction

Massive pre-stressed structures

Résumé

Ce travail a pour but d'apporter des éléments de connaissance sur le comportement des enceintes de confinement des centrales nucléaires françaises. L'aptitude au confinement de ce type de structures est garantie par la faible perméabilité du béton. En cas d'accident, le béton est protégé de la fissuration par la compression biaxiale assurée par les câbles de précontrainte orthoradiaux et verticaux. Dès lors, il s'agit de vérifier deux points principaux : premièrement, le niveau de précontrainte doit rester suffisamment élevé pour équilibrer les contraintes de traction induites lors d'un accident, deuxièmement, la fissuration du matériau qui apparaît hors situation accidentelle doit être limitée. La réalisation de ces objectifs passe par la connaissance du comportement du béton depuis sa fabrication jusqu'à la fin de la durée d'exploitation du réacteur. L'étude du matériau est séparé en deux grandes périodes : la phase du jeune âge caractérisée par de forts couplages chemo-thermo-mécaniques et la phase du long terme où le matériau subit des sollicitations hydro-mécaniques. Une modélisation couplant l'hydratation, les transferts thermiques et hydriques et la mécanique est développée : elle est apte à décrire les principaux mécanismes en jeu. Ce modèle est implanté dans le logiciel CAST3M : le nombre limité de paramètres permet de faciliter le processus d'identification. En parallèle à ce travail de modélisation, plusieurs essais expérimentaux ont été réalisés : certains sont destinés à la détermination de paramètres spécifiques (par exemple, le coefficient de Poisson du fluage propre), d'autres ont pour but d'évaluer la pertinence des mécanismes physiques retenus dans la modélisation (notamment sur les couplages séchage-retrait-fluage). Par la diversité des phénomènes abordés, cette étude s'articule autour de plusieurs axes. La première partie traite des phénomènes thermo-chimiques du béton au jeune âge et du séchage des matériaux cimentaires : problèmes qui ont en commun leur nature diffuse. Une attention particulière est portée sur l'identification des principaux paramètres d'influence de ces deux phénomènes. La deuxième partie concerne l'étude des déformations différées du béton. Contrairement à la décomposition conventionnelle de ces déformations, fluage et retrait sont corrélés et induisent un endommagement du matériau. La modélisation proposée, qui se place dans le cadre de la mécanique des milieux poreux non saturés, permet de considérer une partie des interactions entre ces déformations. La dernière partie se concentre sur l'étude du comportement différé de structures. Les résultats mettent en lumière l'importance de certains verrous technologiques dans la prédiction du comportement à long terme d'une enceinte de confinement.

This work aims to study the behaviour of the containment buildings in a nuclear power plant. The gas-proofing of these structures is based on the low conductivity of concrete (the hydraulic conductivity is around 10-11 m/s for a standard concrete). However, if cracks appear, this material property increases and the containment may not be longer guaranteed. In accidental situations, the concrete is protected from cracking by the bi-axial prestressing of the internal safety enclosure. The ageing of the structure may have two main consequences : firstly, the prestress has to remain sufficiently high to counterbalance the tensile stress caused by an accident, secondly, cracking induced by non-accidental loads has to be limited. These aims cannot be satisfied if the behaviour of the concrete is not understood from its manufacturing to the end of the operating life of the nuclear reactor.\\ The lifespan of the structure is broken down into two distinguished periods : on one hand, strong chemo-thermo-mechanical couplings characterise the early age phase, on the other hand, the material is under hydro-mechanical stress during the long term phase. In the proposed modelling, hydration, thermal and hydric transfers are coupled with the mechanical behaviour of the concrete- the main mechanisms are considered. The model is implemented in the software \textit{CAST3M} : the limited number of parameters facilitate the identification process. In tandem with this work, several experimental tests are realised. Parameters are identified from their results, moreover, some of the experimental observations confirmed the physical mechanisms considered in the model. \\ Because of the complexity of the different phenomenon, this document is built around the following principles. The first part deals with the chemo-thermal couplings at early age and the drying process of concrete at long term : the nature of these two problems is diffusive. This part is focused on the identification of the main parameters of these two phenomenons. The second part is about the delayed strains in concrete. Unlike the conventional decomposition of these strains, creep and shrinkage are correlated and influence the damage evolution. Mechanics of unsaturated porous media is used to consider the couplings between these strains. The last part is focused on the delayed behaviour of structures. Results highlight the importance of some technological barriers in order to predict accurately the long-term behaviour of a containment building.