Comportement à rupture des structures : description à deux échelles des mécanismes locaux appliquée aux matériaux fragiles renforcés

Two scale description of local mechanisms : application to reinforced concrete

• Auteur / Autrice : Cécile Oliver-Leblond
• Direction : Frédéric Ragueneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil
• Date : Soutenance le 09/12/2013
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Jury : Président / Présidente : Ahmed Loukili
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lambertus Johannes Sluys, Arnaud Delaplace
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Victor Donzé, Christian La Borderie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constructions en béton armé

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Mots clés libres

Endommagement

Génie civil

Multifissuration

Damage

Civil engineering

Multicracking

Résumé

Dans le contexte du développement durable, la fissuration des structures en béton armé est devenue un sujet d'étude central. Deux niveaux d'analyse de la durabilité d'un ouvrage apparaissent : l'échelle de la structure et l'échelle de la fissure. A l'échelle de la structure, les modèles à éléments finis basés sur la mécanique de l'endommagement peuvent être utilisés. Cependant, l'utilisation de ces modèles nécessite l'introduction d'une longueur caractéristique afin de prévenir la dépendance au maillage. Or l'introduction de cette longueur caractéristique empêche l'étude fine de la fissuration. A l'échelle de la fissure, la discontinuité peut être décrite de manière explicite à l'aide d'un modèle à éléments discrets. Grâce à ces modèles, les principaux mécanismes de dégradation du béton sont reproduits. Mais, l'étude d'ouvrages industriels en béton n'est pas possible à cause de la finesse de maillage nécessaire à l'étude de la fissuration. Dans ce travail, une méthode de couplage non-intrusive est proposée. A l'échelle globale, un modèle à éléments finis basé sur la mécanique de l'endommagement est utilisé. Les zones d'intérêt -- c'est-à-dire les zones de concentration d'endommagement -- sont analysées à l'échelle locale à l'aide d'un modèle à éléments discrets. Les résultats numériques obtenus à l'aide de la stratégie proposée sont comparés à des résultats expérimentaux afin de valider la méthode. Plusieurs cas tests sont étudiés afin de montrer les capacités de l'approche à modéliser la propagation des fissures pour une structure en béton sous chargement. Des problèmes spécifiques au béton comme l'effet d'échelle, l'impact des armatures ou l'effet 3D sont adressés.

In the context of sustainable development, the study of cracking of large concrete structures has become of primary importance. Two levels of analysis appear: the structure scale and the crack scale. At the structural level, non-linear finite element analyses based on continuum damage mechanics can be carried out. Nevertheless, the use of such models requires the introduction of a characteristic length to prevent the occurrence of spurious mesh dependency in case of strain softening. This characteristic length tends to smooth the discontinuity and thus makes the study of the cracks harder. At the crack level, an explicit description of the crack can be achieved using discrete element methods. This way, the main failure mechanisms of quasi-brittle materials are recovered. But the mesh density required for such modeling is nevertheless prohibitive to treat a whole industrial structure. A non-intrusive technique is proposed, allowing the use of finite element models at a global scale and a decoupled local analysis of some interesting areas, i.e. around cracks, for which a discrete element model is used. Numerical results obtained from the proposed strategy are compared with experimental results and show the applicability of the approach. Several test cases are studied proving the capability of the approach to model the cracks propagation of loaded concrete structures. Specific concrete problems such as scale effect, 3D effect or rebars impact are addressed.