Etude expérimentale et numérique de la résistance à l'effondrement progressif de sous-assemblages poteaux-poutres en béton armé

par Guoqiang Zhao

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Pascal Forquin et de Yann Malecot.

Le président du jury était Emmanuel Ferrier.

Le jury était composé de Wen Chen, Magali Arlery-Genetier.

Les rapporteurs étaient Evelyne Toussaint, Stéphane Grange.


  • Résumé

    Au cours de leur durée de vie, les bâtiments importants sont susceptibles d’être soumis à des charges accidentelles, telles que des explosions ou des impacts. Evaluer leur stabilité vis-à-vis de charges traditionnelles statiques et sismiques ne suffit pas. Leurs performances structurelles liées à des scénarios d’effondrement progressif doivent également être examinées.L’étude de l’effondrement progressif est un problème dynamique. Malheureusement, les expériences sur le comportement des structures de génie civil dans des conditions dynamiques sont rares car difficiles à réaliser. Dans cette étude, des sous-assemblages poteaux-poutres en béton armé ont été testés sous chargement dynamique. Le chargement a consisté à placer une masse importante jouant le rôle de « charge morte » sur la colonne centrale d’un sous-assemblage simulant la liaison de 3 poteaux avec 2 poutres. Une pièce fusible jouant le rôle de support sous la colonne centrale est brutalement déverrouillée pour simuler la perte de portance soudaine de cette colonne. Le comportement dynamique et les dommages locaux causés à la structure ont été mesurés et étudiés. Le bâti de chargement et les dispositifs de support ont été conçus spécialement pour cet essai. La charge morte supérieure peut être modifiée et appliquées à différents spécimens. Les supports des colonnes latérales ont une rigidité horizontale contrôlée et sont conçus pour limiter la rotation de ces mêmes colonnes. Ainsi, les conditions aux limites des essais réalisés sont supposées être représentatives de situations réalistes. Au cours des essais, un laser a été installé sous la colonne centrale pour mesurer la vitesse de chute. Une caméra numérique rapide a été utilisée pour visualiser l'ensemble du processus de ruine du sous-assemblage. Les images obtenues de la caméra ont été traitées par une technique de DIC (Digital Image Correlation) afin d’obtenir le champs de déplacement et les déformations correspondantes. Grâce à ces mesures dynamiques, des données importantes ont été produites et enregistrées, notamment la période de vibration, la fréquence, la vitesse et le déplacement des différents échantillons testés. Sur la base de ces données expérimentales, l’effet de la section et de la portée des poutres sur la réponse dynamique et sur le mode d’endommagement des sous-assemblages a été discuté. Cette étude montre que les résultats expérimentaux obtenus, en termes de mécanismes structurels, de schéma de fissuration, de mode d'endommagement, peuvent être utilisés pour analyser le comportement de sous-assemblages de structures réelles.De plus, une modélisation numérique des essais a été réalisée pour simuler le processus de ruine de la structure. Une technique appelée «connecteur» a été proposée dans le modèle aux éléments finis du sous-assemblage poteaux-poutres. Cette technique consiste à ajouter une série de ressorts pour étudier le rôle de l’interaction entre les armatures en acier et le béton. Un modèle d'endommagement anisotrope, appelé modèle DFH-KST, a été utilisé pour caractériser l'évolution de la fissuration et l’endommagement du béton.La polyvalence de la méthodologie adoptée permet d’évaluer l’influence du comportement non-linéaire du matériau et celle de la géométrie de la structure testée. Les études numériques de calibration et de validation montrent que le modèle proposé peut reproduire le comportement et la résistance de la structure avec succès.

  • Titre traduit

    Experimental and numerical investigation of the progressive collapse resistance of reinforced concrete beam-column sub-assemblages


  • Résumé

    Important buildings may be subjected to accidental loads, such as explosions or impacts, during their service life. It is, therefore, necessary not only to evaluate their safety under traditional loads and seismic action. The structural performances related to progressive collapse scenarios need to be investigated.The study of progressive collapse involves a dynamic problem, but unfortunately dynamic experiments on the behavior of the civil engineering structures under dynamic conditions are rare. In this research, beam-column sub-assemblage specimens were tested under dynamic load. The loading program consists in placing a large mass, as a dead load, on the top of the middle column of a beam-column sub-assemblage. The support under the middle column is suddenly removed for simulating the sudden loss of a column and the damage that will result in the structure. The loading system and supporting devices were designed specially for this test. The upper dead load can be changed by increasing or decreasing the applied masse to different specimens. The supports for the side column have a controlled rigidity in the horizontal direction and are designed to restrain rotation of the side-column. Thus, the boundary conditions are supposed to be similar to real situations. During the test, a laser was installed under the middle pillar to collect the falling velocity and a high-speed camera was used to visualize the whole process of the component failure process. The images obtained from the camera were processed by Digital Image Correlation (DIC) technology to get the corresponding displacements and strain fields. By these means, all the information of the structure under dynamic loading was captured and recorded, such as the period of vibration, frequency, velocity and displacement. Based on these experimental data, the effect of section and span of the specimen on dynamic response and damage mode was discussed. Time history of resistance force curves was produced. Compared with previous published quasi-static experiments in terms of structural mechanisms, crack patterns, damage mode, it shows the experimental results from beam-column assemblage with the designed support device can be used to analyze the behavior of the local structure in the entire frame.In addition, numerical simulations were developed for simulating the failing process of the structure. A technique named “connector” was proposed into beam-column finite element model by adding a series of springs to investigate the interaction between steel rebars and concrete. A concrete damage model, named DFH-KST model, was used to characterize the development of concrete crack and damage. The versatility of the adopted methodology allows assessing the influence of the material nonlinear behavior and the geometry of the tested structure. Calibration and validation studies show that the proposed model can successfully represent the resistance of structure and behavior. Furthermore, the transverse component effect on the resistance to progressive collapse was discussed.


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