Stratégie de modélisation numérique du béton armé fissuré en contexte de dimensionnement ou de vérification des grands ouvrages de génie civil

Modelling strategy of cracked reinforced concrete in the context of structural design or assessment of massive civil engineering works

• Auteur / Autrice : Daniela Vo
• Direction : Alain Sellier, Stéphane Multon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 31/01/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire matériaux et durabilité des constructions (Toulouse ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Farid Benboudjema
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Sellier, Stéphane Multon, Georges Nahas, Frédéric Duprat, Sylvie Michel-Ponnelle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Léger, Boumédiene Nedjar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Détérioration

Constructions en béton armé

Béton armé

Mots clés libres

Réaction de gonflement interne

Béton armé

Éléments finis

Internal sweeling reaction

Reinforced concrete

Finite element

Résumé

Les réactions de gonflement interne (RGI) telles que la réaction alcali-granulat (RAG) ou la réaction sulfatique interne (RSI) sont des pathologies sévères du béton. Elles induisent la création d'un produit de nature expansive dans la porosité du béton. L'expansion, induite par le développement d'une pression de gonflement interne, peut mener à d'importants endommagements du béton, pouvant remettre en cause la stabilité des structures atteintes. L'évaluation de l'état de telles structures constitue donc une réelle nécessité pour les personnes en charge de la gestion de ces ouvrages. La modélisation numérique permet de répondre de manière adaptée à une telle nécessité. Afin d'obtenir des motifs de fissuration corrects et cohérents, les modélisations de structures armées différencient généralement le maillage du béton et celui des armatures. Néanmoins pour les ouvrages de type massifs, et du fait de leur forte densité de ferraillage, cette différenciation peut induire d'importantes complexités numériques (définition du maillage, temps de calcul important à cause du nombre important d'éléments finis, concentrations de contraintes...). Afin de limiter ces biais numériques liés au maillage des armatures, l'utilisation de modèles de béton armé dit homogénéisés peut être préconisée. Dans ces types d'approches, les armatures ne sont plus différenciées du béton et le matériau est considéré dans son ensemble comme un matériau homogène de béton armé. Dans ces travaux, et afin de considérer les RGI, un modèle de béton armé homogénéisé est utilisé et est couplé avec un modèle poromécanique. Ainsi, le premier but de cette étude est de s'assurer de la compatibilité et de la stabilité des hypothèses de ces modèles afin de valider leurs usages dans le cadre de recalcul d'ouvrages endommagés. Le modèle et ses évolutions sont présentés et discutés avant d'être validés sur des structures de laboratoire. Cette approche a notamment permis de retrouver l'anisotropie induite par différents ratios d'armature, au niveau du gonflement ainsi que des endommagements obtenus sur des éprouvettes plus ou moins armées. De plus, la stabilité du modèle vis-à-vis des éléments finis a été étudié et validée sur des poutres de laboratoire. A la suite de ce processus de validation, le modèle a été appliqué sur un ouvrage massif. La méthodologie d'étude pour un tel usage a été définie et a permis de reproduire de manière satisfaisante les déplacements relevés sur l'ouvrage.

Internal swelling reaction (ISR) as Alkali-Silica reaction (ASR) or Delayed Ettringite Formation (DEF) are harmful concrete disorders. Such reaction leads to the production of new swelling phases in the concrete porosity. They, can cause important degradation and could lead to the decrease of structure performances. Hence, the evaluation of the behaviour of such damaged structures is a real need for the structure's owners, which can be answered by numerical modelling. In order to obtain realistic crack pattern, meshing separately concrete and rebars is the usual way to perform a nonlinear finite element analysis. However, for massive structures, and for structures with important amount of reinforcements, the rebars meshing can induce numerical complexities (mesh definition, important computing time due to high number of finite elements, stress concentration...). To avoid such numerical limits, the use of a homogenized concrete model can be recommended. With this kind of approach, steel bars do not need to be meshed and the material is considered as a whole homogenised concrete material. In this work, the homogenized concrete model is coupled with a poromechanical one to consider ISR. The fist aim of this work is to ensure the suitability of this combination to validate its use for structural analysis. The model and the proposed evolutions are presented and discussed before being validated on laboratory structures. With such approach, the anisotropic swelling and damage caused by the presence of anisotropic reinforcements, has been correctly reproduced. Besides, a parametrical study on laboratory beams confirms the model stability according to the element size. After this validation process, the model is used to reproduce the evolution of a real massive structure damaged by ISR. The methodology for such modelling is presented and lead to a relevant assessment of the in-situ displacements.