Advance on Non-Destructive Evaluation methodologies for the material characterization and damage monitoring of masonry structures

par Shuang Peng

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Zoubir Mehdi Sbartaï et de Thomas Parent.

Soutenue le 03-12-2020

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (laboratoire) et de GCE - Génie Civil et Environnemental (équipe de recherche) .

Le président du jury était Vincent Garnier.

Le jury était composé de Vincent Garnier, Jean-Paul Balayssac, Emmanuel Ferrier, Mokhfi Takarli.

Les rapporteurs étaient Jean-Paul Balayssac, Emmanuel Ferrier.

  • Titre traduit

    Développement d'outils d'évaluation des ouvrages maçonnés : Apport du contrôle non destructif


  • Résumé

    La France est dotée d'un très large patrimoine historique en maçonnerie de pierre. La sauvegarde de ce patrimoine historique constitue un enjeu culturel et économique. Ce type d'édifice, à forte valeur architecturale, limite l'emploi d'essais destructifs. Le besoin exprimé concerne l'absence d'une méthodologie fiable pour l'évaluation des structures à l'échelle du matériau et de la structure. Cette thèse se propose donc de répondre à deux verrous : (i) comment fiabiliser l'Evaluation Non Destructive (END) des matériaux sur ouvrages, (ii) comment mieux détecter, localiser et suivre les défauts dans le matériau au cours de l'endommagement mécanique. Le matériau étudié dans cette thèse se concentre sur la maçonnerie de pierre calcaire appareillée par un mortier de chaux hydraulique. Premièrement, une campagne de caractérisation non destructive sur des blocs de pierre calcaire est mise en oeuvre. Trois types de mesures d' END sont réalisées : électromagnétique aux fréquences radar, les ultrasons, la mesure de la résistivité électrique ainsi qu'une campagne de caractérisation mécanique sur ces mêmes blocs (module de Young et résistance mécanique). De par la dépendance du degré de saturation sur les mesures CND et sur les caractéristiques mécaniques, l'influence du degré de saturation a été étudiée. Les modèles analytiques de mesure de CND en fonction du degré de saturation ont montré des résultats satisfaisant vis-à-vis de résultats expérimentaux. Deuxièmement, la performance de la méthode d'émission acoustique pour le suivi de l'endommagent a été mise en ÷uvre sur le matériau maçonnerie à différentes échelles : de l'échelle mésoscopique, c'est-à-dire de l'assemblage pierre-mortier pierre à l'échelle de la structure i.e. mur (échelle 1) en cisaillement. A l'échelle mésoscopique, une série d'essai de cisaillement et traction directe sollicitant l'interface pierre-mortier a permis de discriminer les signaux acoustiques relatifs au mode de rupture par traction directe (mode I) et par cisaillement (mode II). De plus une corrélation entre énergie acoustique et énergie mécanique a été mise en évidence. Enfin, ces résultats ont été validés à l'échelle macroscopique à travers une série d'essais sur mur de pierre appareillée de cisaillement sous chargement vertical constant. Le suivi de déformations par corrélation d'image a notamment permis de valider la capacité de la méthode d'émission acoustique dans le suivi de l'endommagement et de la fissuration d'une structure maçonnée.


  • Résumé

    In France, a great number of historical patrimony, consists of stone masonry building, the conservation of this patrimony is a cultural and economic issue. However, the destructive tests are limited in some types of buildings, particularly at a strong architectural heritage value. The need expressed by client and the diagnostic company concerns the lack of a reliable methodology for structural assessment at material and structural scale. Therefore, it is necessary to develop an approach which can combine the CND with the mechanical calculation. This thesis tries to answer three questions: (i) how to improve the reliability of material characterization by non-destructive tests at the structures; (ii) how to improve defect detection, localization and evaluation in material; (iii) how to improve the modeling of mechanical behavior based on CND auscultation. The first objective of this thesis is to improve the reliability of assessment of material characteristics in stone masonry structure by non-destructive techniques (mechanical properties of stones and joints). The proposed methodology will take into account the uncertainties related to: (i) the measurement procedure by CND device; (ii) the material variability constituting the masonry (stones and mortar joints); (iii) the water content which represents a significant bias in the measurement of CND. The main objective of this step is to establish, based on the constitutive material of structure, possible relations between the measurable magnitude by CND and the physical and mechanical properties. The combination of these data will enable to implement an inverse tool, using the CND measurements to deduce the properties of constitutive material of structure. Some methods, as ultrasound, electricity and electromagnetics, which require further understanding, are envisaged to be used in this stage. The second part of this thesis aims to assess the potential of the CND acoustic and electromagnetic methods for the detection of defects, particularly at the level of mortar joints. An active and passive CND instrumentation will be implemented during the characterization test of mortar joints and a validation test will be also proposed at structural scale (masonry wall). In order to realize this objective, an experimental campaign of characterization and validation which will be carried out within the CIFRE thesis of Vincent VENZAL, in collaboration with AIA Ingénierie (thesis started in September 2016). These masonry walls (stones of Frontenac assembled by the lime mortar joints), constructed at demi scale, will be subjected to a vertical loading and tested in shear until the ruin. Once the nondestructive method of mechanical characterization of limestones is validated, a mapping of mechanical properties in structure cans be obtained by non-destructives measurements. This enable to identify the variability of mechanical characterization for the different studied zones and also within these zones. Firstly, this variability could probably be used to identify the partial safety coefficient of masonry in situ by verification in Eurocode 6. Secondly, a study of sensibility of variability of these mechanical properties would be realized by finite element method (damage law). These numerical mechanical tests with random draw of mechanical characteristic in relation with the variability obtained in site lead to (i) identify the real homogenized stress of elements in masonry at the structural scale and (ii) study the scale effect on the highly heterogonous structure.


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