Création d'états de précontrainte dans des composants en béton par alliages à mémoire de forme : approche expérimentale et modélisation

Creation of prestress states in concrete components with shape memory alloys : experimental approach and modelling

• Auteur / Autrice : Hanh Tran
• Direction : Jean-François Destrebecq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique du Solide
• Date : Soutenance le 22/10/2012
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal
• Jury : Président / Présidente : Mohamed Lamine Boubakar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Favier, Emmanuel Ferrier, Piotr Gwozdziewicz, Xavier Balandraud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Favier, Emmanuel Ferrier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages à mémoire de forme

Béton précontraint

Mots clés libres

Génie civil

Béton

Alliages à mémoire de forme

Précontrainte

Effet mémoire

Expérimentation

Modélisation

Renforcement préventif

Civil engineering

Concrete

Shape memory alloy

Prestress

Shape memory effect

Experiment

Modelling

Preventive reinforcement

Résumé

Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) sont des matériaux actifs ayant des propriétés mécaniques spectaculaires comparées aux autres métaux : effets mémoire simple et double sens, pseudo-élasticité et amortissement. Les propriétés des AMF ont pour origine physique une transformation austénite – martensite pilotée par la température et le niveau de contrainte dans le matériau. Les phases austénite (A) et martensite (M) sont présentes respectivement à haute température et à base température. L’effet mémoire, quant à lui, réside dans la capacité du matériau à retrouver la forme austénitique initiale par élévation de température, après avoir été déformé de manière permanente à l’état martensitique à basse température. Le comportement mécanique des structures en béton est gouverné par le processus d’endommagement du matériau. Ce processus peut être retardé en appliquant un chargement uni ou multi-axial de compression, dans le but de contrer les contraintes locales de traction auxquelles le béton est peu résistant. Cette thèse porte sur l’utilisation d’alliages à mémoire de forme (AMF) pour la création d’états de précontrainte dans des composants en béton. Le travail repose sur deux approches : expérimentation et modélisation. Dans la première partie, des essais préliminaires concernent l’étude du comportement thermomécanique de l’AMF en Ni-Ti. Cette réponse complexe est étudiée de manière séparée à l’aide d’une machine de traction – compression uni-axiale couplée à des moyens de chauffage et de refroidissement. Ensuite, des fils d’AMF sont utilisés pour la création de précontraintes dans des poutrelles et de confinements dans des cylindres en béton. Les fils sont étirés à l’état martensitique avant d’être fixés à leurs extrémités sur des éprouvettes en béton. L’activation thermique de l’effet mémoire provoque la mise en contrainte du béton. Et puis, des essais d’écrasement des cylindres sont réalisés pour estimer l’amélioration des performances du béton confiné à l’aide de fils d’AMF. Les résultats montrent que l’effet de confinement permet d’améliorer fortement la performance mécanique en compression du béton. Dans la deuxième partie, un modèle thermomécanique est élaboré pour l’analyse du comportement de fils d’AMF sollicités en traction-compression alternée uni-axiale. Une procédure de calcul numérique pas-à-pas est développé pour la simulation du comportement de fils en AMF pour l’ensemble de la procédure de création d’effet de précontrainte. Cette simulation donne une description fine des mécanismes au sein du fil au cours des essais sur des composants en béton-AMF. L’interaction complexe entre le béton et l’AMF est précisément analysée grâce à l’utilisation du modèle thermomécanique de l’AMF. Enfin, les études de cette thèse confirment une possibilité du champ d’application des AMF dans la thématique du renforcement préventif des structures en béton.

Shape memory alloys (SMAs) are active materials that exhibit special properties such as pseudoelasticity and memory effect. These properties are resulting from austenite vs. martensite reversible transformations governed by temperature and mechanical stress states. The austenite phase (A) and the martensite phase (M) are present respectively at high and low temperature. The shape memory effect is the ability of the material to retain a deformation gained in the martensite phase, i.e. at low temperature, and then to recover its initial shape when it returns to the austenite phase upon temperature increase. The mechanical behaviour of structural concrete is governed by a process of damage. The damaging process can be delayed by applying a uni- or multiaxial compression in order to counterbalance local tensile stresses in the material. The present thesis deals with the use of shape memory alloys (SMAs) to create prestress states in concrete components. The work is based on two approaches: experimental and modelling. In the first part, preliminary tests concern the studies of the thermomechanical behaviour of Ni-Ti SMA. This complex response is studied singly by means of a MTS uniaxial testing machine and heating-cooling systems. Then, SMA wires are used to create prestress states in small-scale concrete beams as well as confinement states in concrete cylinders. They were given a prestrain in a martensitic state before being firmly fixed on concrete components. Thermal activation of the memory effect in the SMA wires caused their tensioning, which resulted in reaction in the creation of stresses in the concrete. Moreover, crush tests of concrete cylinders are performed in order to estimate the improvement of the mechanical performance of concrete confined by means of SMA wires. The test results show that the confinement effect can improve strongly the mechanical performance of concrete. In the second part, a thermomechanical model is performed to analyze the behaviour of SMA with an extension to allow for uniaxial traction-compression. A steps by steps process of the numerical simulation is developed for SMAs during the process of prestress creation. This simulation gives a detailed description of the mechanisms of SMA wires which lead to the process of experimental studies on the SMAs-concrete components. A complex interaction between the concrete and the SMAs is evidenced by means of the thermomechanical model of SMAs. Finally, studies presented in the present thesis confirm the possibility to use SMA as preventive reinforcement for application to civil engineering structures.