Characterization and modelling of permeability of damaged concrete : application to reinforced concrete structures

par Mohamad Ezzedine el Dandachy

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Frédéric Dufour.

Le président du jury était Nicolas Burlion.

Le jury était composé de Frédéric Dufour, Stefano Dal Pont, Matthieu Briffaut.

Les rapporteurs étaient Gilles Pijaudier-Cabot, Vincent Picandet.

  • Titre traduit

    Caractérisation et modélisation de la perméabilité des bétons endommagés : application aux structures en béton armé


  • Résumé

    Pour les structures de génie civil avec un rôle d'étanchéité lors d'un accident grave, la perméabilité structurelle est une question clé. Dans ce contexte, cette thèse porte sur la modélisation numérique du taux de fuite à travers une structure en béton fissurée. Deux approches hydromécaniques dans un cadre continu sont proposés, une entièrement continu et une autre qui nécessite une analyse semi-discrète. L'approche semi-discrète est basée sur une méthode permettant de trouver le chemin de la fissure. Une fois le chemin de la fissure est trouvé, l’ouverture de fissure peut être calculée le long de la surface de la fissure discrétisé par équivalence d’une discontinuité forte. La dernière étape consiste à prescrire la loi de Poiseuille modifié le long de la surface de la fissure pour estimer le taux de fuite tout en imposant un gradient de pression. L'approche entièrement continue peut être appliquée directement dans le sens où aucun suivi de la fissure n’est nécessaire. C’est une combinaison de la perméabilité des endommagements diffus et de la perméabilité de Poiseuille modifiée. Ici, la déformation principale positive est choisie pour conduire la perméabilité de Poiseuille modifiée. Les deux approches proposées sont validées sur une campagne expérimentale de disque béton sec chargé dans un essai de fendage où la perméabilité aux gaz est réalisée. La validation est effectuée sur le taux de fuite dans la direction longitudinale. Les résultats obtenus avec les approches proposées par rapport aux données expérimentales montrent une bonne estimation de la conductivité hydraulique. En outre, l'approche continue est appliquée pour estimer le taux de fuite à travers un élément en béton armé soumis à une charge de traction où la multi-fissuration en mode I se produit (essai tirant). La comparaison avec l'expérience est effectuée sur le taux de fuite dans la direction perpendiculaire à la charge appliquée. Celui-ci montre un bon accord entre les débits estimé et mesuré si le même nombre de fissures est obtenu par le modèle mécanique.Cette thèse porte aussi sur l'effet des chargements thermomécaniques et de fluage sur la conductivité hydraulique du béton. Un système de perméabilité est développé et construit au cours de cette thèse sur la base du programme expérimental. Une campagne expérimentale est effectuée pour étudier l'effet couplé du fluage thermique et / ou mécanique sur la perméabilité à l’air sec du béton. Les propriétés de transfert dans les directions longitudinale et radiale par rapport à l'axe de charge sont étudiées. L’anisotropie de la perméabilité induite par la charge appliquée est analysée. En outre, la détermination de la perméabilité structurelle le long de l'interface acier-béton à différentes charges de cisaillement est encore une question ouverte. Un programme expérimental est réalisé qui porte sur le comportement mécanique du béton armé soumis à un essai de type push-in, ainsi que sur l’analyse de la perméabilité le long de l'interface acier-béton à des niveaux de charge différents. Une première tentative pour simuler le test en utilisant l'approche continue proposée est effectuée.Cette thèse a été l’occasion de réaliser une nouvelle campagne expérimentale, de produire de résultats originaux, d’effectuer de la modélisation numérique et de confronter les 2 approches proposées pour valider les modèles afin de les appliquer à l’échelle structurelle.


  • Résumé

    For civil engineering structures with a tightness role during a severe accident, structural permeability is a key issue. In this context, this PhD deals with the numerical modelling of leakage rate through a cracked concrete structure. Two hydro-mechanical models in a continuous framework are proposed, a fully continuous one and another one that requires a semi-discrete analysis. The semi-discrete approach is based on a crack tracking method allowing to find the crack path. Once the crack path is found, the Crack Opening Displacement (COD) can be computed along the discretized crack surface by equivalence with strong discontinuity approach. The final step is to prescribe a modified Poiseuille’s law along the crack surface to estimate the leakage rate while imposing a pressure gradient. The fully continuous approach can be directly applied in a sense that no crack tracking is needed. It is a combination of permeability of diffuse damage and modified Poiseuille’s permeability. Herein, the positive principal strain is chosen to drive the modified Poiseuille’s permeability. The two proposed approaches are validated on an experimental campaign of dry concrete disk loaded in a splitting setup where gas permeability is performed. The validation is performed on the flow rate in the longitudinal direction. The results obtained with the proposed approaches compared to experimental data show a good estimation of the hydraulic conductivity. Furthermore, the fully continuous approach is applied to estimate the flow rate through a reinforced concrete element subjected to tensile loading where multi-cracking in Mode I occurs (tie-beam test). The comparison with the experiment is performed on the flow rate in the perpendicular direction to the applied loading. The latter shows a good agreement between the estimated flow rate and the measured one if the same number of cracks is obtained.This PhD deals as well with the effect of the delayed thermo-mechanical loadings on the hydraulic conductivity of concrete. A permeability system is developed and constructed during this PhD based on the experimental program. An experimental campaign is carried out to study the effect of thermal and/or mechanical creep on dry gas permeability of concrete. Permeabilities in longitudinal and radial directions with respect to load axis are addressed. The loading induced anisotropic permeability is analyzed. Furthermore, the determination of the structural permeability along the steel-concrete interface at different shear loadings is still an open issue. An experimental program is carried out which deals with the mechanical behavior of reinforced concrete subjected to a push-in test, as well as with a permeability analysis along the steel-concrete interface at different load levels. A first attempt to simulate the test using the proposed continuous approach is performed.This thesis was the occasion to conduct a new experimental campaign, to produce original results, to perform numerical modeling and to compare two proposed approaches to validate the models in order to apply them at the structural scale.


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