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

par Shuang Peng

Projet de thèse en Mécanique

Sous la direction de Zoubir-Mehdi SbartaÏ et de Thomas Parent.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de Sciences Physiques et de l'Ingénieur , en partenariat avec I2M Institut de Mécanique et d'Ingénierie (laboratoire) et de GCE - Génie Civil et Environnemental (equipe de recherche) depuis le 28-09-2017 .


  • 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 par les maîtres d'ouvrages et les entreprises de diagnostic non destructif et d'évaluation concerne l'absence d'une méthodologie fiable pour l'évaluation des structures à l'échelle du matériau et de la structures. Un développement d'une approche qui combine le CND et le calcul mécanique est donc nécessaire. Cette thèse propose de répondre à trois verrous : (i) comment fiabiliser la caractérisation non destructive des matériaux sur ouvrages, (ii) comment mieux détecter, localiser et suivre les défauts dans le matériau, (iii) comment mieux modéliser le comportement mécanique sur la base d'une campagne d'auscultation par CND. Le premier objectif de cette thèse est donc de fiabiliser l'évaluation de la caractérisation des ouvrages maçonnés en pierre par techniques non destructives (propriétés mécaniques de la pierre et des joints). La méthodologie proposée prendra en compte les incertitudes liées à : (i) la procédure de mesure des outils de CND ; (ii) la variabilité des matériaux constituants la maçonnerie (pierres et joints de mortier) ; (iii) la teneur en eau qui représente un biais important sur les mesures CND. L'objectif principal de cette première étape est d'établir, sur la base des matériaux constitutifs de l'ouvrage, les relations possibles entre les grandeurs mesurables en CND et les propriétés physiques et mécaniques. La combinaison de ces données permettra notamment la mise en place d'un outil d'inversion des mesures CND pour remonter aux propriétés des matériaux constitutifs de la maçonnerie. A ce stade du travail, on peut envisager les méthodes CND reconnues complémentaires (ultrasons, électriques et électromagnétiques). La deuxième partie de cette thèse aura pour objectif d'évaluer le potentiel des méthodes CND acoustiques et électromagnétiques à la détection des défauts notamment au niveau des joints de mortier. Une instrumentation par CND actif et passif sera mise en place lors d'essais de caractérisation de joints de mortier et une validation sera également proposée à l'échelle d'un élément de structure (murs maçonnés). Pour ce faire, on s'appuiera sur les campagnes expérimentales de caractérisation et de validation) qui seront réalisés dans le cadre de la thèse CIFRE de Vincent VENZAL réalisée en collaboration avec la société AIA Ingénierie (thèse débutée en septembre 2016). Des murs maçonnés (pierres de Frontenac assemblés par des joints de mortier à la chaux) réalisés à l'échelle ½ seront notamment testés en cisaillement sous chargement vertical jusqu'à la ruine. Une fois la méthode non destructive de caractérisation mécanique des pierres calcaires validée. Une cartographie des propriétés mécaniques sur ouvrage peut être obtenue et de manière non destructive. Celle-ci permettra d'identifier la variabilité des caractéristiques mécaniques pour les différentes zones de l'ouvrage étudié mais aussi au sein de chacune de ces zones. Cette variabilité peut être utilisée dans un premier temps pour identifier les coefficients partiels de sécurités des maçonneries en place dans le contexte de vérifications à l'Eurocode 6. Dans un second temps, une étude de sensibilité de la variabilité des caractéristiques mécaniques pourrait être menée à l'aide de modèles de calcul de type élément finis (lois d'endommagements). Des essais mécaniques numériques avec tirages aléatoires des caractéristiques mécaniques en relation avec la variabilité obtenue sur site conduirait à (i) identifier les résistances réelles homogénéisées des éléments en maçonneries à l'échelle structurelle et (ii) étudier les effets d'échelles sur ce type de structure fortement hétérogène.

  • Titre traduit

    Development of new tools for NDT evaluation of masonry structures


  • 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.