Méthodologie de diagnostic de structures maçonnées anciennes

Diagnostic methodology for masonry histoical structures

• Auteur / Autrice : Thomas Parent
• Direction : Alain Sellier, Nathalie Domède
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 10/11/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Maçonnerie

Monuments historiques

Mots clés libres

Maçonnerie

Calcaire

Méthode des éléments finis

Calcul de Structure

Gothique

Fissuration

Voûte

Modélisation

Résumé

Le patrimoine architectural français est une richesse qu'il convient de préserver. L'élaboration d'une méthodologie de diagnostic structurel des monuments historiques est proposée dans ce contexte. Ce type d'édifice est essentiellement composé de maçonnerie qu'il convient de bien appréhender. La bibliothèque du CNAM, chef d'œuvre de l'architecture gothique, constitue un cas d'étude idéal pour valider la démarche proposée. Cet édifice comprend un certain nombre de pathologies. L'objectif de ce travail consiste à identifier l'origine de ces pathologies et estimer la marge de sécurité vis-à-vis de la ruine de l'édifice. Premièrement, une investigation menée sur l'édifice est présentée. Elle comprend une recherche en archives, une campagne d'essais non-destructifs et destructifs (radar, vitesse du son, carottages et instrumentation). A partir de cette étude certaines causes potentielles sont écartées. Par ailleurs, le caractère hétérogène de la maçonnerie conduit à considérer ce matériau à différentes échelles. Un modèle d'endommagement orthotrope est utilisé à chaque échelle d'étude dans le but de simuler le comportement de ce géomatériau. Une démarche d'homogénéisation est alors introduite. Elle consiste à évaluer le comportement homogène du matériau maçonnerie à partir de sa géométrie et du comportement mécanique de ses matériaux constitutifs. Cette méthode donne la possibilité de considérer le caractère hétérogène de la maçonnerie à l'échelle de la structure. L'obtention des paramètres matériaux des calcaires en place est réalisée à partir des mesures de vitesse du son via l'utilisation de courbes de corrélations proposées. La procédure d'homogénéisation consiste à simuler le comportement d'un muret en maçonnerie soumise à un essai de compression. Ensuite, un calcul à l'échelle de la structure est proposé. Un critère de rupture en compression sur l'effort normal est introduit afin de mener un calcul selon les normes internationales. Celui-ci comprend d'une part un coefficient de sécurité partielle afin de considérer la dispersion de résistance du géomatériau et d'autre part un coefficient de fonctionnement prenant en compte la rupture en compression au droit d'une section soumise à un chargement de flexion composée. L'analyse globale d'une travée de l'édifice est ainsi présentée. L'histoire de chargement est simulée. La comparaison de la fissuration mesurée sur site avec le profil de fissure obtenue par le modèle conduit à estimer l'état de contrainte actuel de l'édifice. Une marge de sécurité vis-à-vis de la ruine de la structure est ainsi proposée. Enfin, une synthèse globale de cette étude est présentée.

The French architectural heritage is a considerable wealth to be preserved. In this context, a methodology of structural diagnoses of historical monuments is proposed. This type of building is mainly composed of masonry that should be understood. The CNAM Library, masterpiece of gothic architecture is an ideal case study to validate the proposed approach. This edifice presents pathologies as crack pattern and tilts walls. The objective of this work is to identify the origin of these pathologies and to estimate the safety factor of the ruin of the building. First of all, an investigation carried out on the building is presented. It includes historical research, a campaign of non-destructive and destructive testing radar, sound velocity, core sampling and structural monitoring. From this first study, some potential causes of the pathologies are ruled out. Furthermore, the heterogeneous nature of the masonry leads to consider this material at different scales. A damage model is used at each scale in order to simulate the mechanical behavior of this geo-material. A homogenization process is then introduced. It consists to the evaluation of the homogeneous behavior of the masonry from its geometry and the mechanical characteristics of its components. This method allows considering the heterogeneity of masonry at the structural scale. The mechanicals characteristics of the calcareous materials are obtain from sound velocity measurement through the use of correlation curves. The homogenization procedure consists to simulate the behavior of a numerical masonry wall subjected to a compressive test. Then, a calculation at the structural scale is proposed. A compression failure criterion on the normal strength is proposed to estimate the safety factor of the structure according to the international standards. Firstly, it includes a partial safety factor to consider the dispersion of resistance of the masonry. Secondly, another coefficient takes into account the compressive failure phenomenon at a crack section. Global analysis of a span of the church is presented. The load history is simulated. The comparison of the measured crack on site with the profile obtained by the model leads to estimate the current state of stress of the building. A margin of security is proposed. Finally, a comprehensive summary of this study is presented.