Modelling and simulation of the concrete behaviour under high temperatures by a thermo-hydro-mechanical coupling approach : application on the accidental situations

• Auteur / Autrice : Ali Alnajim
• Direction : Ahmed Mébarki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil. Structures
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Université de Marne-la-Vallée (1991-2019)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Éléments finis, Méthode des

Matériaux poreux

Fluage

Construction en béton

Essais de comportement au feu

Tunnels

Résumé

Dans les applications du génie nucléaire, dans l'évaluation de la sécurité, dans les grands bâtiments et dans les tunnels, en particulier, les incendies récents dans les tunnels européens (Channel, Mont-Blanc, Great Belt Link, Tauern), l’évaluation de la performance du béton lorsqu’il est soumis à des températures extrêmes est d’un grand intérêt. Dans ces accidents, les tunnels ont présenté un endommagement très important (éclatement) au niveau des sections affectées dans les éléments en béton. En fait, quand le béton est exposé à des empératures pouvant dépasser les 1000°C, des transferts de chaleur et des transports de masses fluides ont lieu dans le matériau ce qui cause des expansions thermiques et le développement de pressions de pores. Aussi, dans cette gamme de température, la microstructure du béton est soumise à des modifications physico-chimiques qui influencent fortement son comportement. Ces phénomènes affectent alors l’ensemble des propriétés matérielles du béton : thermiques, hydriques et mécaniques. Dans de telles conditions sévères, une analyse complexe est alors requise. L’objectif de cette étude est donc de développer un modèle numérique capable de prédire les comportements Thermo-Hygro-Mécanique couplés du béton, intégrant les transformations Physico-Chimiques qui ont lieu dans ce milieu poreux partiellement saturé (THM - PC). Pour les transferts de chaleur et de masse (incluant liquide, vapeur et air sec), les équations constitutives de Fourier, Darcy et Fick et des équations d’état local sont utilisées. Le comportement fissurant du béton est décrit en utilisant un modèle élasto-plastique avec l’endommagement isotrope. De plus, des modèles de séchage et de fluage thermique transitoire ont également été pris en compte. Dans ce modèle mécanique, le concept de la contrainte effective, incluant les contraintes externes appliquées et les pressions de pores, a été utilisé. Ce modèle numérique a été incorporé dans le code d’éléments finis CAST3M. Après avoir vérifié la validité des différents couplages élémentaires décrits par le modèle, des simulations ont été effectuées dans un cas mobilisant, simultanément, l’ensemble des couplages

In nuclear engineering applications, in safety evaluation, in tall buildings and in tunnels, particularly with the recent major fires in the European tunnels (Channel, Mont-Blanc, Great Belt Link, Tauern), the assessment of concrete performance will be of great interest. In these accidents, tunnels presented an extensive damage (spalling) of the concrete elements in the affected sections. In fact when the concrete is exposed to a temperatures from ambient up to 1000°C, this will lead to a heat and mass transfer into the concrete structure and will cause a thermal expansion of the constituents, evaporation of water and pore pressures build up. Within this range of temperature, the behaviour of concrete is affected by the physical and chemical changes of its microstructure. These entire phenomena will influence the thermal, hydral and mechanical material properties of the concrete. So in such severe conditions, a complex analysis is then required. Therefore, the objective of this study is to develop a numerical model as a tool to analyse the Thermo-Hydro-Mechanical coupling problems and the Physico-Chemical transformation THM-PC that take place in a partially saturated porous medium. For the heat and mass transfer (involving liquid, vapour and dry air), Fourier’s, Darcy’s and Fick’s constitutive equations have been used together with the thermodynamic and state equations. The cracking behaviour of the concrete is described by using an isotropic elasto-plastic-damage model. Moreover, the drying shrinkage and the transient creep have been taken also in the modelling. In this mechanical model the effective stress concept, accounting for both external applied stresses and pore pressures build up, has been used. This numerical model has been incorporated into the finite element software CAST3M. After verifying the validity of the different coupling processes of the model, numerical examples have been taken to demonstrate the capacity of the model to predict the behaviour of concrete when subjected to a fire