Techniques de modélisation multi-échelle de l'interface acier-béton pour le calcul de structures en béton armé à grande échelle

Multi-scale steel-concrete interface modeling techniques for large-scale reinforced concrete structures.

• Auteur / Autrice : Maryam Trad
• Direction : Stéphane Grange, Benjamin Richard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 03/10/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEOMAS - Géomécanique Matériaux Structure, EA 4126 (Lyon, INSA.) - Géomécanique- Matériaux et Structures / GEOMAS
• Jury : Président / Présidente : Christian La Borderie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Grange, Benjamin Richard, Christian La Borderie, Delphine Brancherie, Ludovic Jason, Elias Bou Said, Ibrahim Bitar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Delphine Brancherie, Ludovic Jason

Mots clés

Mots clés contrôlés

Adhésion (physique)

Construction en béton

Béton armé -- Fissuration

Mots clés libres

Génie civil

Cinématique

Béton armé

Interface acier-Béton

Acier

Adhérence

Modélisation multi-Échelle

Comportement des structures

Macro-Élément

Fissuration du béton

Condensation statique

Poutres

Plaque

Civil engineering

Kinematics

Reinforced concrete

Steel-Concrete interface

Steel

Adhesion

Multiscale modeling

Structure behaviour

Macro-Element

Concrete cracking

Static condensation

Beam

Plate

Résumé

La caractérisation du comportement mécanique des structures en béton armé est un défi majeur, en particulier lorsque des sollicitations au-delà du niveau de dimensionnement sont considérées. Dans ce cas, des informations locales sur la fissuration du béton sont nécessaires pour évaluer la performance structurale. Cela est particulièrement observé dans le cas où les ouvrages de génie civil présentent des exigences d’étanchéité. La prise en compte de l’interaction entre le béton et les armatures en acier dans les simulations numériques joue un rôle important dans l’estimation réaliste du phénomène de fissuration. De plus, la dissipation d’énergie au sein de l’interface acier-béton constitue environ 15-20% de la dissipation matérielle totale dans les structures en béton armé [Huguet Aguilera, 2016]. Pour toutes ces raisons, une modélisation de cette interface se montre indispensable pour une reproduction numérique réaliste du comportement de ces structures. Les approches existantes de modélisation de l’interface acier-béton restent peu satisfaisantes principalement car elles demandent des temps de calcul élevés. Leur application à l’échelle d’un bâtiment industriel reste toujours fastidieuse (Phan et al., 2015) voire impossible. Le but de ce travail de thèse est de proposer des stratégies de modélisation de l’interface acier-béton ayant le coût numérique le plus bas possible et étant applicables à l’échelle de l’ouvrage. Pour cela, une approche multi-échelle est proposée. Cette approche consiste à définir un macro-élément capable de reproduire le comportement de l’acier et de l’interface acier-béton reliés au moyen d’une densité d’efforts d’adhérence. Le macro-élément de [Sahyouni et al., 2022] initialement développé pour lier une inclusion rigide à un domaine de sol qui l’entoure est développé et adapté à la problématique de l’interface acier-béton. Cette approche est intégrée dans des calculs de structures bidimensionnels (2D) et tridimensionnels (3D). En parallèle, une méthode de modélisation de l’interface dans le cadre d’éléments poutres inspirée des travaux de [Yousefi et al., 2020] et de [Abtahi et Li, 2023] est présentée. En particulier, les éléments poutres sont bien connus pour leur avantage de fournir des résultats numériques précis avec des temps de calcul raisonnables. Un enrichissement est introduit par rapport à des théories de poutre classiques avec le déplacement de l’acier défini comme un degré de liberté supplémentaire au niveau des nœuds. Une extension de cette approche vers des éléments plaques est réalisée. Les différentes techniques proposées dans ce travail sont utilisées pour modéliser des tests expérimentaux de caractérisation du comportement de l’interface. Des exemples structuraux de poutres en flexion trois et quatre points sont également modélisés. Les applications présentées démontrent la robustesse des approches proposées et leur capacité à reproduire le comportement expérimental d’éléments structuraux en béton armé.

The characterization of the mechanical behavior of reinforced concrete structures is a major challenge, especially when loads beyond the design level are considered. In this case, local information on the cracking behavior of concrete is crucial to evaluate structural performance. This is particularly important in the case of civil engineering structures, particularly those for industrial purposes, exhibiting waterproofing requirements. Considering the interaction between concrete and steel reinforcement in numerical simulations has an important impact on the realistic estimation of the cracking process. In addition, the energy dissipation within the steel-concrete interface is estimated up to 15-20% of the total material energy dissipation in reinforced concrete structures [Huguet Aguilera, 2016]. For the aforementioned reasons, numerical modeling of this interface is essential for the good realistic reproduction of the behavior of these structures. Existing steel-concrete interface modeling approaches remain unsatisfactory mainly because they require an excessive need for calculation resources. Considering the steel-concrete interface behavior at the scale of an industrial building with this type of approaches remains tedious [Phan et al., 2015] and even impossible. The aim of this thesis work is to propose representative modeling strategies for the steel-concrete interface with the lowest possible numerical cost. For this, a multi-scale approach is proposed. It consists of defining a macro-element capable of reproducing the behavior of the steel and the steel-concrete interface connected by means of a bond stresses density. The macro-element of [Sahyouni et al., 2022] initially developed to link a rigid inclusion to a surrounding soil domain is developed here and adapted to the steel-concrete interface problematic. This approach is implemented into two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) structural calculations. In parallel, a modeling methodology of the interface behavior in the framework of beam elements inspired by the works of [Yousefi et al., 2020] and [Abtahi and Li, 2023] is presented. Indeed, beam elements are well known for their advantage of providing accurate numerical results within a reasonable computation time. An enhancement is introduced to classical beam theories with the longitudinal steel displacement defined as an additional degree of freedom at the level of the beam nodes. An extension of this approach to plate elements is carried out. The various techniques proposed in this work to model the steel-concrete interface behavior are used to model several experimental tests that characterize the interface behavior. Structural examples of three-point and four-point flexural tests on reinforced concrete beams are also modeled. The presented applications demonstrate the robustness of the proposed approaches and their ability to reproduce the experimental behavior of reinforced concrete structural elements.