Développement d'un modèle d'élément fini 3D pour des poutres en béton armé soumis à des sollicitations M-N-V-T

Development of an enhanced finite element model for reinforced concrete menbers subjected to combined shear-bending-torsion actions

• Auteur / Autrice : Tuan-Anh Nguyen
• Direction : Quang-Huy Nguyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 28/11/2019
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Comue : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie civil et génie mécanique (LGCGM)
• Jury : Président / Présidente : Panagiotis Kotronis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Quang-Huy Nguyen, Panagiotis Kotronis, Enzo Martinelli, Frédéric Ragueneau, Phillippe LE GROGNEC, Christelle Combescure
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Enzo Martinelli, Frédéric Ragueneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Torsion (mécanique)

Poutres en béton armé

Couple (mécanique)

Éléments finis, Méthode des

Béton armé

Mots clés libres

Multifibre

Torsion

Gauchissement

Sollicitations complexes

Grand déplacement

Béton armé

Élément fini

Reinforced concrete

Finite element analysis

Multi-fiber

Torsion

Warping

Combined loading

Large displacement

Résumé

Le travail présenté dans ce mémoire porte sur le développement d’un modèle EF non linéaire pour des poutres BA soumis à des sollicitations combinées M-N-V-T. Afin de prendre en compte du couplage entre la torsion et la flexion, un élément poutre multifibre 3D enrichi est développé en utilisant l’approche de la plasticité distribuée et la formulation en déplacement. La première partie concerne le développement modèle EF qui se base sur l’enrichissement des hypothèses cinématique de poutre de Timoshenko, avec l’introduction des dégrée de liberté supplémentaires, afin de prendre en compte l’effet de gauchissement et de distorsion. L’un des objectifs de cette thèse est de proposer une méthode simple pour inclure la contribution des armatures transversales sur la raideur et la résistance de la section droite. Pour cela, une procédure itérative basée sur l’équilibre des contraintes entre les armatures et le béton est proposée. Le comportement 2D du béton armé est modélisé à l’aide de la théorie de Modified of Compression Field Theory (MCFT). La deuxième partie est consacrée à l’analyse numérique des éléments en béton et en BA soumis à torsion pure. Une nouvelle relation contrainte déformation du béton fissuré est proposée dans le cadre de la MCFT en calibrant avec des résultats expérimentaux. La troisième partie est dédiée à l’analyse numérique des poutres BA soumis à des sollicitations combinées. Le modèle EF développé est validé par plusieurs numérique analytique- expérimentale comparaisons. L’interaction entre le cisaillement, la flexion et la torsion est étudiée. Enfin, la dernière partie est dédiée à l’étude du comportement des éléments BA en grand déplacement.

This PhD thesis deals with the development of a non-linear finite element (FE) model for reinforced concrete (RC) members under coupling of multi-axial actions and in particular under torsion. Using the sectional-fiber approach and the displacement-based formulation, an enhanced multi-fiber 3D beam element is developed for predicting the behavior of RC elements subjected to arbitrary loading conditions (shear, bending and/or torsion). The first part concerns the FE formulation based on the enhancement of Timoshenko's beam kinematic assumptions with introducing of some additional degrees of freedom at each monitoring section, in order to take into account the phenomena of warping and eventually, distortion. Focusing on RC structures, one of the objectives is to find the simple way to include the transversal reinforcement into the cross-section analysis of the multi-fiber FE model, using behavior models based on the Modified of Compression Field Theory (MCFT) and its extension. The second part deals with the numerical analysis of concrete and RC members subjected to pure torsion. A constitutive law for concrete in tension is proposed within the framework of the MCFT in which the material parameters are determined by the calibration process of several experimental tests. In the third part, the interactions between shear, bending and torsion are investigated by comparing with the analytical solutions of skewbending theory and several experimental tests in literature. Finally, the last part is dedicated to the investigation of the enhanced FE multi-fiber beam model under large displacement conditions, using a corotational framework.