Thèse soutenue

Analyse du comportement et de la rupture des structures en maçonnerie de géométrie non-standard en dynamique rapide

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Auteur / Autrice : Filippo Masi
Direction : Ioannis StefanouPaolo Vannucci
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
Date : Soutenance le 14/12/2020
Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
Jury : Président / Présidente : Laurent Stainier
Examinateurs / Examinatrices : Ioannis Stefanou, Paolo Vannucci, Laurent Stainier, Maurizio Brocato, Jose Lemos, Katrin Beyer, Félix Darve
Rapporteurs / Rapporteuses : Maurizio Brocato, Jose Lemos

Résumé

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Les bâtiments en maçonnerie ont souvent une géométrie non-standard, caractérisée par des arcs, des voûtes et des dômes. C'est également le cas des structures du patrimoine bâti historique, qui sont souvent des cibles symboliques et privilégiées des actions violentes, telles que des explosions. L'objectif principal de ce travail est de mettre en lumière le comportement dynamique et les modes de ruine des structures maçonnées avec soit un comportement monolithique soit une géométrie non-standard, vis-à-vis d'explosions. Ceci est d'abord accompli grâce à des outils analytiques simplifiés et à des simulations numériques détaillées reposant sur la Méthode aux Éléments Discrets (ED). Ensuite, une approche de modélisation macroscopique simplifiée, utilisant la Méthode aux Éléments Finis (EF), est introduite comme un outil d'ingénieur pour étudier de grands bâtiments en maçonnerie, tels que des monuments. En particulier, de nouvelles solutions analytiques pour la réponse en basculement des structures élancées et monolithiques sont dérivées et validées par rapport à des expériences existantes et à des simulations numériques détaillées. La Méthode aux ED est utilisée pour étudier la réponse des structures maçonnées non-standard, telles que des arcs et des voûtes, et l'influence de divers paramètres mécaniques. En nous appuyant sur les résultats numériques ED, nous développons une approche de modélisation aux EF macroscopique, basée sur des techniques simplifiées de upscaling et un modèle de fissuration étalé, afin de prédire la réponse d'éléments structuraux en maçonnerie à grande échelle. Le modèle proposé prévoit un comportement isotrope et permet de prendre en compte le phénomène d'adoucissement, qui affecte fortement la réponse du matériau. Dans le but de développer des modèles de matériaux plus précis et détaillés de l'approche mentionnée ci-dessus, une nouvelle classe de réseaux de neurones artificiels (ANNs) est également proposée comme un outil robuste, basé sur la thermodynamique, pour dériver des modèles constitutifs, au niveau du point matériel, dans le cadre d'analyses physiques multi-échelle. Les réseaux de neurones artificiels basés sur la thermodynamique (TANNs) sont appliqués - et leur supériorité par rapport aux approches ANNs classiques est prouvée - pour le cas des matériaux présentant un comportement d'adoucissement. Enfin, nous proposons de nouvelles lois de similitude pour la réponse des structures en maçonnerie soumises à des explosions. Notre objectif est de concevoir de futurs essais expérimentaux à échelle réduite, qui sont d'une importance capitale pour améliorer la connaissance actuelle et corroborer les modèles proposés.