Comportement de maçonnerie en pierre calcaire en situation d'incendie : approches expérimentale et numérique

The behavior of limestone masonry in a fire situation : experimental and numerical approaches

• Auteur / Autrice : Armita Obaei
• Direction : Albert Noumowe, Anne-Lise Beaucour, Javad Eslami
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 23/06/2025
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2MGC - Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Yotte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Albert Noumowe, Anne-Lise Beaucour, Javad Eslami, Hélène Carre, Jean-Patrick Plassiard, Dashnor Hoxha, Ann Bourgès
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Carre, Jean-Patrick Plassiard

Mots clés

Mots clés libres

Situation d'incendie

Maçonnerie

Couplage Thermo-Mécanique

Modélisation numérique

Fire Situation

Numerical simulation

Masonary

Thermo-Hydro-Mechanical behavoir

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l'analyse expérimentale et numérique du comportement thermomécanique des maçonneries en pierre calcaire soumises à des températures élevées. Bien que ces structures soient largement utilisées dans le patrimoine bâti, leur réponse en situation d'incendie reste encore peu maîtrisée. Cette étude a pour objectif de caractériser expérimentalement et de simuler numériquement ce comportement, afin d'identifier les mécanismes de déformation, de fissuration et d'altération des capacités mécaniques et comportement des murs en pierre naturelle exposés à un incendie.La partie expérimentale repose sur une campagne d'essais à grande échelle menée sur six murs en pierre calcaire (3 m × 3 m × 0,2 m), construits à partir de trois types de pierre présentant des résistances à la compression différentes (tendre, moyenne et dure), chacune associée à un mortier adapté à sa résistance. Chaque mur a été chauffé pendant deux heures, avec et sans application d'un chargement mécanique équivalent à 50 % de la capacité admissible. Les observations ont porté sur la distribution de température dans l'épaisseur, les déplacements dans les trois directions, les schémas de fissuration, ainsi que la capacité portante résiduelle après refroidissement. Les résultats ont montré l'apparition d'une courbure thermique orientée vers la source de chaleur dans tous les murs, avec des déplacements hors plan plus importants pour les murs non chargés. La fissuration est principalement verticale, concentrée au centre des murs et au niveau des joints verticaux, avec une intensité plus prononcée dans les murs chargés. Malgré cette fissuration, tous les murs ont conservé leur intégrité structurelle. Les données obtenues constituent une base solide pour la modélisation numérique.Dans la seconde partie, une modélisation multi-échelle a été réalisée avec le logiciel CODE_ASTER. Cette démarche a permis d'analyser les réponses thermomécaniques à l'échelle du matériau, du bloc, puis du mur. Le modèle de comportement mécanique utilisé est basé sur la loi de Double Drücker-Prager, adaptée pour représenter les effets non linéaires dus aux hautes températures. Une étude paramétrique a mis en évidence l'influence de la géométrie des blocs, des conditions aux limites et des propriétés des matériaux sur la réponse globale des murs. Enfin, l'effet de la déformation thermique transitoire - un phénomène dans lequel la dilatation thermique est modifiée par le niveau de charge mécanique appliqué au matériau - a été intégré dans la modélisation. Cela a permis d'améliorer significativement la reproduction des résultats expérimentaux, notamment en termes de déformation hors plan.Cette approche couplée, fondée sur des observations expérimentales et des simulations numériques, permet de mieux comprendre le comportement au feu des maçonneries en pierre calcaire, et fournit des outils pour anticiper les effets d'un incendie sur ce type de structure.

This study focuses on the experimental and numerical analysis of the thermomechanical behavior of limestone masonry structures exposed to high temperatures. Although these structures are widely used in historical buildings, their response under fire conditions remains insufficiently understood. This study aims to characterize this behavior experimentally and simulate it numerically to identify the mechanisms of deformation, cracking, degradation, and the mechanical behavior of limestone walls subjected to fire.The experimental program consisted of a large-scale test campaign conducted on six limestone masonry walls (3 m × 3 m × 0.2 m), built using three types of limestone with varying compressive strengths (soft, medium, and hard), each paired with a historically adapted mortar. Each wall was exposed to two hours of heating, with and without the application of a mechanical load equivalent to 50% of its admissible load. Observations focused on the temperature distribution through the wall thickness, displacements in three directions, crack patterns, and residual load-bearing capacity after cooling. Results showed the development of thermal bowing oriented toward the heat-exposed face in all walls, with more pronounced out-of-plane displacements observed in the not-loaded configurations. Cracks were predominantly vertical, concentrated at the center of the walls and along vertical joints, and were more significant in the loaded walls. Despite cracking, all walls maintained their structural integrity. The data collected provides a robust basis for the subsequent numerical modeling.In the second part of the study, a multi-scale numerical modeling approach was developed using the CODE_ASTER software. This framework enabled the analysis of thermomechanical responses at the material, block, and wall scales. The mechanical behavior was described using the Double Drücker-Prager model, which is suitable for capturing the nonlinear effects induced by high temperatures. A parametric study revealed the influence of block geometry, boundary conditions, and material properties on the overall wall response. Finally, the effect of transient thermal strain—where thermal expansion is reduced by applied stress—was incorporated into the model based on experimental observations, significantly improving the accuracy of the numerical results.This combined approach, based on both experimental investigations and numerical simulations, provides deeper insight into the fire behavior of limestone masonry and offers valuable tools for anticipating the effects of fire on such structures.