Modélisation numérique du comportement des bétons de fibres métalliques sous des sollicitations multiaxiales tenant compte l'effet de l’orientation des fibres : application aux voussoirs du tunnel

Numerical modeling of the behavior of steel fiber reinforced concrete under complex stresses, considering the fiber orientation : application to the tunnel lining segment

• Auteur / Autrice : Duc-Tam Vu
• Direction : François Toutlemonde
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Expérimentation et modélisation pour le génie civil et urbain (Marne-la-Vallée) - Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Expérimentation et modélisation pour le génie civil et urbain (Marne-la-Vallée)
• Jury : Président / Présidente : Dario Redaelli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Toutlemonde, Dario Redaelli, Farid Benboudjema, Luca Sorelli, Lucie Valdewalle, Sylvie Michel-Ponnelle, Patrick Rougeau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Farid Benboudjema, Luca Sorelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micromécanique (ingénierie)

Béton -- Fissuration

Tunnels -- Conception et construction

Béton de fibres

Mots clés libres

Béton de fibres

Orientation des fibres

Modèle micromécanique

Voussoir préfabriqué

Steel fiber reinforced concrete

Fiber orientation

Micromechanical modeling

Precast tunnel lining segment

Résumé

Ce projet de thèse s'inscrit dans le contexte d'une optimisation des éléments préfabriqués en Béton de Fibres Métalliques (BFM) permettant de garantir une capacité portante post-fissuration au niveau structural en ajustant la quantité des fibres. L'utilisation du BFM dans l'industrie pendant des décennies présente une nécessité d'un outil de calcul numérique avancé qui permet de quantifier la contribution des fibres en tenant compte l'orientation anisotrope des fibres. Le modèle développé au cours de cette thèse décrit le comportement multiaxial du matériau sous des sollicitations quasi-statiques en enchaînant une phase écrouissante suivie d'une phase adoucissante. La loi du comportement est une fonction de la formulation du matériau, la densité et la distribution de l'orientation des fibres. En utilisant l'approche micromécanique, l'effet de l'orientation anisotrope des fibres est pris en compte au travers d'une loi de probabilité normale à deux variables. Le comportement écrouissant est présenté par un modèle d'endommagement élastique dont la rigidité homogénéisée du matériau bi-phasique est dégradée progressivement par une variable d'endommagement gouvernée par une fonction de chargement. La phase adoucissante reproduit la fissuration macroscopique du BFM par un modèle des fissures diffuses fixes. Le modèle analytique est intégré à un logiciel de calcul des structures par des éléments finis. Une campagne d'essais a été réalisée au sein du laboratoire EMGCU (Univ. Eiffel) avec les corps d'épreuve fabriqués à l'usine Bonna Sabla pour l'objectif de valider et calibrer le modèle développé. L'étude expérimentale consiste à cisailler deux séries des prismes entaillés de différentes tailles. L'orientation et la distribution des fibres aux corps d'épreuve ont été retrouvées par l'analyse numérique des images des sections critiques. La prévision du modèle a été confrontée aux résultats des essais de cisaillement. Le modèle présente sa capacité de reproduire de manière fiable le comportement écrouissant au tant que le comportement adoucissant du BFM sous des sollicitations complexes. Finalement, le modèle numérique proposé a été utilisé pour évaluer le fonctionnement d'un voussoir préfabriqué du lot 1 de la ligne du métro 16, projet de Grand Paris Express, en fonction de la distribution et de l'orientation des fibres. Cette étude d'application a répondu à la demande industrielle sur la prise en compte l'effet de l'orientation des fibres et suggéré une optimisation le dimensionnement du dosage des fibres. Le modèle développé au cours de cette thèse a contribué un outil prédictif sur le fonctionnement global d'un élément en BFM qui peut être qualifié vis-à-vis des méthodes ingénieries usuelles pour des structures simples. Des pistes d'amélioration et de complément développement ont été identifiées

The research project presented in this thesis has been prepared within the context of an optimization of the precast structural elements in Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC), to ensure the post-cracking strength by adjusting the amount of fiber. The use of SFRC in the industry for decades shows a need for an advanced numerical tool that allows for the quantification of the contribution of fiber taking into account the uneven distribution of fiber orientation.The model developed in this work describes the multiaxial behavior of the material under quasi-static loads through a hardening behavior followed by a softening one. The constitutive law is a function of the SFRC formulas, the fiber density, and the distribution of fiber orientation. Based on a micromechanical approach, the fiber orientation effect is considered through a bi-variate normal probability density function. The hardening behavior is presented by an elastic damage model where the homogenized rigidity of material is degraded by a damage variable whose evolution is controlled by a loading function. The softening phase reproduces the cracking process of SFRC at the macro-scale by a fixed smeared cracking concept. This analytical model is then integrated into a Finite Element Analysis Software.An experimental campaign was performed at EMGCU laboratory, Gustave Eiffel University with the sample fabricated in the manufacture of Bonna Sabla for validating and adjusting the proposed model. The experimental campaign consists of two series of direct shear tests on notch beams with different sections in order to reproduce the multiaxial loading. The fiber distribution and orientation were determined by processing the images of critical sections. The model predictions have been compared to the results of the experiment and showed that the proposed model is able to reproduce relatively good, behavior of SFRC in the hardening phase as well as in the softening one under complexes solicitations.Finally, the proposed model was used to evaluate the strength of the precast tunneling segment used in lot 1 of metro line 16, with respect to the distribution and the orientation of fiber. This application study has responded to the industrial demand on the accounting for the fiber orientation effect and suggested an optimization of fiber content design. The present model provides a tool to predict the global functioning of an SFRC element that is comparable with several conventional engineering methods. Some proposals for improvement and additional development have been identified