Etude des structures en maçonnerie du génie civil par la méthode des éléments discrets : apports de la méthode "Non Smooth Contact Dynamics"

Study of masonry structures in civil engineering using the discrete element methods : benefits of the Non Smooth Contact Dynamics method

• Auteur / Autrice : Thanh-Luong Phan
• Direction : Marc Vinches
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et génie civil
• Date : Soutenance le 05/10/2015
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Alart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Vinches, Pierre Alart, Muriel Gasc-Barbier, Thierry Verdel, Marine Bagneris, Frédéric Dubois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Muriel Gasc-Barbier, Thierry Verdel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie civil

Méthode des éléments discrets

Constructions

Maçonnerie

Mots clés libres

Structures en maçonnerie

Méthode des élément discrets

Non Smooth Contact Dynamics

Modélisation

Lmgc 90

Génie civil

Masonry structures

Discrete element methods

Non Smooth Contact Dynamics

Modeling

Lmgc 90

Civil engineering

Résumé

La maçonnerie est une technique de construction très ancienne qui est toujours d'utilisation très répandue sous toutes les latitudes. Elle fait appel à deux éléments essentiels : des blocs et des joints, qui peuvent être éventuellement remplis de mortier. Le matériau obtenu peut être considéré comme continu ou discontinu, selon les propriétés relatives des blocs et des joints. Les blocs sont souvent en pierre, en brique crue ou cuite. Les mortiers sont généralement à base de chaux, de ciment ou d'un mélange de ces deux composants. Depuis l'apparition du béton au XIX° siècle, les calculs se sont concentrés sur des approches continues, et les techniques de conception des maçonneries ont peu bénéficié des avancées scientifiques, et du développement d'outils de calcul largement utilisés dans les bureaux d'études. Corrélativement à cette évolution, la maçonnerie a perdu des parts de marché de la construction, et les méthodes et moyens mis en œuvre pour la conception d'ouvrages en maçonnerie n'ont pas été suffisamment modernisés. Dans ce contexte, le présent travail a pour ambition de contribuer au calcul de structures maçonnées, considérées comme des structures discontinues, avec l'objectif de servir au monde de l'entreprise et de l'architecture.L'échelle d'étude de la structure ou du matériau : comportement général de l'ensemble bâti, comportement d'un panneau de maçonnerie, comportement de l'interface mortier - bloc, ou des contacts blocs-blocs dans le cas de maçonnerie à joints vifs, conduit à l'utilisation de divers cadres théoriques, et méthodes analytiques ou numériques correspondantes. Après une analyse des avantages et inconvénients de diverses méthodes disponibles, numériques ou graphiques, dans le domaine de la mécanique et de l'architecture (stéréotomie), nous présentons en détail la méthode Non Smooth Contact Dynamics. Cette méthode, initiée à la fin du XX° siècle, par Jean-Jacques MOREAU et Michel JEAN, décrit de façon théorique, les conditions de mise en place des efforts de contact entre corps solides, déformables ou rigides, en 2D et 3D, en présence de chocs, et en présence de grands déplacements, ou rotations. Les conditions de non interpénétration entre corps sont régies par un formalisme spécialement développé dans le cadre de l'analyse convexe. Nous avons retenu ce cadre théorique, et utilisé une chaine logicielle développée sur ses bases, pour modéliser des structures réalistes, c'est-à-dire tridimensionnelles, soumises à des chargements dynamiques, et qui sont modernes, dans la mesure où elles intègrent une géométrie complexe, performante (économie de matière et esthétique) et la mise en œuvre d'une précontrainte, avec prise en compte de son phasage.L'exemple de la structure de l'escalier de Ridolfi est utilisé comme support à l'examen de divers paramètres d'optimisation du calcul réalisé avec la plateforme ouverte LMGC90, permettant à l'utilisateur de maîtriser en détail les diverses phases du calcul non-linéaire conduit. Les paramètres du calcul dont nous avons testé l'influence sont : le pas de temps, le critère de convergence, le nombre d'itérations gérées par l'algorithme de Gauss-Seidel, le critère de rétrécissement, le coefficient de frottement entre blocs, et l'intensité de la précontrainte mise en place par post tension dans les câbles. L'expérimentation conduite sur un modèle physique en vraie grandeur, est reconstituée, dans ses différentes phases, sur maquette numérique, et la pertinence des résultats obtenus par simulation est discutée.Les travaux ont été réalisés au Laboratoire de Mécanique et Génie Civil de l'Université Montpellier II et du CNRS, et au Laboratoire de Génie de l'Environnement Industriel de l'Ecole des Mines d'Alès. Leur financement a été assuré par le Ministère de l'Education et de la Formation du Vietnam, ainsi que par ARMINES.

Although it is an old construction technique, masonry is still world wide spread nowadays. It uses two main components: blocks and joints, which can be filled with mortar. The resulting material can be considered as continuous or discontinuous, according to the relative performances of the blocks and joints. The blocks are often made of stone, raw earth or brick. The mortars generally incorporate lime or cement or a mixture of those components. Since the discovery of modern concrete during the XIXth century, calculations have been performed in the framework of continuous methods, and the masonry design technics have not fully benefited from the scientific breakthrough, nor from the development of calculation tools used in design offices. Following this evolution, masonry lost some ground in the construction field, and methods and means used for the design of buildings have not been improved enough. In this context, the present work aims at contributing to the calculation of masonry structures, considered as discontinuous structures, with the ultimate goal to be of some use in the field of industry and architecture.The structure or material study scale: general behavior of the building, behavior of a masonry panel, or behavior of the bonding between the blocks and the mortar, or the block-block contacts for dry friction masonry, leads to the use of several theoretical frameworks, and associated analytical or numerical methods. After an analysis of the pros and cons of the different available methods, in the fields of mechanics and architecture (stereotomy), we will present in detail the Non Smooth Contact Dynamics method. This method, initiated at the end of the XXth century, by Jean-Jacques MOREAU et Michel JEAN, describes theoretically, the conditions of the development of contact forces between solids, whether able to support strains or rigid, in 2D or 3D, under the effects of shocks, large displacements or rotations. The conditions of no overlapping between the bodies are described by equations developed using the convex analysis concepts. We chose this theoretical framework, and used the software platform developed on these concepts, for modeling realistic structures that are modern, because they allow to take into account 3D structures with complex and efficient geometries (aesthetic point of view, economy of material), subjected to dynamical loads, and including the sequential set-up of pre-stressing technics.The example of the Ridolfi stair case is used as a support for the examination of several optimization parameters for the calculation performed on the LMGC90 open software, allowing the modeler to supervise in detail several steps of the performed non-linear calculations. The calculation parameters of which we have tested the influence are: the time step, convergence criterion, the iteration number considered in the Gauss-Siedel algorithm, the shrinkage criterion, the friction coefficient between blocks, and the pre-stressing strain applied in the post tension cables. The experiment carried out on a real size physical model is numerically simulated, and the consistency of the computed results is discussed.The work was carried out in the Mechanics and Civil Engineering Laboratory of the University of Montpellier II and the CNRS (French National Scientific Research Agency), and the Laboratory of Industrial Environment Engineering of Alès School of Mines. The funding was provided by the Ministry of Education and Training of Vietnam, and ARMINES.