Application d'outils numériques à l'analyse probabiliste de la constructibilité et à l'optimisation du procédé d'impression 3D en béton

Application of numerical tools to probabilistic analysis of constructability and optimization of 3D concrete printing process

• Auteur / Autrice : Zeinab Diab
• Direction : Duc Phi Do, Sébastien Rémond, Dashnor Hoxha
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMé - Laboratoire de Mécanique Gabriel Lamé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Duc Phi Do, Catherine Davy, Siavash Ghabezloo, Abdelhak Kaci, Sébastien RéMOND, Dashnor Hoxha
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Siavash Ghabezloo, Abdelhak Kaci

Mots clés

Mots clés libres

Impression 3D en béton

Outils numériques

Quantification d'incertitude

Approche de fiabilité

Analyse structurelle

Optimisation de la conception

3D concrete printing

Numerical tools

Uncertainty quantification

Reliability approach

Structural analysis

Design optimization

Résumé

Au cours de la dernière décennie, le procédé d'impression 3D en béton a connu une expansion significative, ouvrant la voie à des applications potentielles tant dans le domaine académique qu'industriel. Cette technologie, basée sur l'empilement automatisé de couches de béton frais par un robot, présente les avantages d'une construction rapide, sans besoin de coffrage, avec moins déchets matériels et surtout une plus grande liberté de géométrique par rapport aux méthodes de construction traditionnelles. Cependant, l'absence de coffrage engendre la nécessité d'analyser la performance structurelle à l'état frais du béton. Le matériau frais doit être suffisamment rigide pour supporter le poids des couches successives et éviter toute défaillance structurelle au cours de l'impression résultant de l'interaction de deux mécanismes: le flambement élastique et l'effondrement plastique. Toute maîtrise du comportement structurel à l'état frais exige une connaissance approfondie des propriétés du béton au jeune âge et de leur évolution au cours du procédé d'impression. Cette compréhension est étroitement liée à la géométrie de l'objet imprimé et aux divers paramètres du procédé, notamment la vitesse d'impression, les dimensions des couches et les conditions environnementales. Actuellement, aucune méthode expérimentale universelle ou procédure standard n'est disponible pour caractériser les propriétés mécaniques du béton imprimable à l'état frais. La difficulté réside non seulement de leur évolution rapide dans le temps, mais aussi de la nature hétérogène du matériau, générant une incertitude significative de ces propriétés qui influe sur la précision de la prédiction de la réponse structurelle lors d'impression. En particulier dans le cadre du projet européen Interreg CIRMAP, axé sur le développement d'une nouvelle méthodologie pour la conception de structures imprimées en 3D avec des mortiers à base de sables recyclés, les défis et les incertitudes associés à la caractérisation des propriétés mécaniques présentent une importance considérable. Outre l'incertitude liée au comportement du matériau, le procédé d'impression lui-même contribue à d'autres sources d'incertitude, telle que celle liée à la géométrie (dimensions de la section transversale des couches déposées et excentricité entre les couches), qui dépende de la stratégie et des paramètres choisis du procédé. En tant que partie du projet Cirmap, l'objectif principal de ce travail de thèse est de présenter et de vérifier l'applicabilité de l'approche probabiliste à l'analyse structurelle et à l'optimisation de la conception des structures en béton pendant le procédé d'impression 3D, par le biais de la modélisation numérique. Une procédure complète est présentée, dont le but de prendre en compte l'effet de l'incertitude des propriétés mécaniques du béton imprimable et les imperfections géométriques dans les simulations de la constructibilité des structures par impression 3D. La méthode bien connue de l'inférence bayésienne est d'abord adoptée dans un premier temps pour quantifier l'incertitude des propriétés du béton à l'état frais utilisant les données d'essai de laboratoire. Par la suite, les analyses fiabilistes basées sur le métamodèle de Krigeage, permettent d'élucider le rôle important et la nécessité de la prise en compte ces incertitudes. Finalement, la combinaison de cette technique de méta-modélisation avec la méthode d'optimisation basée sur le calcul de quantile permet d'optimiser les paramètres du procédé (vitesse d'impression, largeur de couche déposée) en minimisant la quantité du béton et la durée d'impression 3D. L'applicabilité et l'efficacité de la procédure proposée sont démontrées sur les différentes géométries de l'objet imprimé et stratégies d'impression.

Over the past decade, the 3D concrete printing process has expanded significantly, opening the way to potential applications in both academic and industrial fields. This technology, based on the automated stacking of fresh concrete layers by a robot, offers the advantages of rapid construction, with no need for formwork, less material waste and, above all, greater geometric freedom than traditional construction methods. However, the absence of formwork requires analysis of the concrete's structural performance in its fresh state. The fresh material must be sufficiently rigid to support the weight of successive layers and avoid any structural failure during printing, which results from the interaction of two mechanisms: elastic buckling and plastic collapse. Controlling structural behavior in the fresh state requires a thorough understanding of the properties of concrete in its early age and their evolution during the printing process. This understanding is closely linked to the geometry of the printed object and the various process parameters, including printing speed, layer dimensions and environmental conditions. At present, no universal experimental method or standard procedure is available to characterize the mechanical properties of printable concrete at fresh state. The difficulty lies not only in their rapid evolution over time, but also in the heterogeneous nature of the material, generating a significant uncertainty in these properties which influences the accuracy of prediction of structural response during printing. Particularly in the context of the European Interreg CIRMAP project, focused on the development of a new methodology for the design of 3D printed structures with recycled sand-based mortars, the challenges and uncertainties associated with the characterization of mechanical properties are of considerable importance. In addition to uncertainty related to material behavior, the printing process itself contributes to other sources of uncertainty, such as that related to geometry (cross-sectional dimensions of deposited layers and eccentricity between layers), which depends on the strategy and parameters chosen for the process. As part of Cirmap's project, the main objective of this thesis is to present and verify, through numerical modeling, the applicability of the probabilistic approach to structural analysis and design optimization of concrete structures during the 3D printing process. A complete procedure is presented, aiming to account for the effect of uncertainty in the mechanical properties of printable concrete and geometric imperfections in simulations of the constructability of 3D-printed structures. Firstly, the well-known Bayesian inference method is adopted to quantify the uncertainty of fresh concrete properties using laboratory test data. Secondly, reliability analyses based on the Kriging metamodel elucidate the important role and necessity of taking these uncertainties into account. Finally, the combination of this meta-modeling technique with the quantile-based optimization method enables us to optimize the process parameters (printing speed, deposited layer width) while minimizing the quantity of concrete and the 3D printing time. The applicability and effectiveness of the proposed procedure are demonstrated on different printed object geometries and printing strategies.