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

Analysis of the behavior and fracture of masonry structures of non-standard geometry in fast dynamics

• Auteur / Autrice : Filippo Masi
• Direction : Ioannis Stefanou, Paolo Vannucci
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2017
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : NAVIER
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matériaux et structures architecturés

Mots clés

Mots clés libres

Dynamique rapide

Maçonnerie

Structures

Fast dynamics

Masonry

Structures

Résumé

Le premier objectif de ce projet est la mise au point d’une méthode efficace de simulation du comportement des ouvrages de grandes dimensions en maçonnerie sous sollicitations dynamiques de type explosif. Cette stratégie doit: (i) permettre une simulation efficace en terme de qualité et fiabilité des résultats; (ii) voir un coût de calcul raisonnable pour des puissances de calcul standard pour un bureau d’études comme Ingérop; (iii) se traduire par une prise en main abordable par le personnel technique de l’entreprise. La mise au point de modèles d’homogénéisation du comportement de la maçonnerie est d’ailleurs une partie théorique intégrée à l’étude et nécessaire. L’objectif est celui de mettre au point des modèles d'homogénéisation efficaces et fiables, capables de prendre en compte les différentes caractéristiques des maçonneries: faible résistance à la traction, énergie de fracture, ductilité, endommagement par fissuration, et ceci dans un contexte particulier de sollicitation : une onde de choc hyper-rapide. Les différents types de maçonnerie doivent aussi entrer en ligne de compte, ainsi que diverses lois de comportement (anisotropie, visco-plasticité, endommagement), ce qui préfigure différents modèles d’homogénéisation. L’utilisation de modèles homogénéisés semble nécessaire dans le cas de structures de grandes dimensions pour avoir des temps de calcul raisonnables. Le développement de méthodes numériques appropriées est prévu dans cette phase de la recherche. Un analyse de sensibilité à des paramètres susceptibles d’augmenter la capacité de la structure à dissiper l’énergie du choc, comme le système de fondation, les ouvertures naturelles ou vitrés etc., sera aussi conduite dans cette phase. Un troisième point est l’étude de méthodes de renforcement. Nous pensons ici principalement, mais pas seulement, à l’utilisation de matériaux modernes comme les composites en carbone, qui permettent à la fois des interventions de faible poids et d’impact visuel qu’on peut facilement rendre nul, en respectant ainsi les prescriptions du Protocole de Venise. L’utilisation de ces techniques structurelles nécessite aussi la mise au point de modèles de comportement et idéalement de règles de dimensionnement. Il s’agit ici d’aborder l’étude de modèles de comportement pour structures mixtes sous sollicitations explosives. Toutefois, si ces types d’intervention ont été largement étudiés, notamment en Italie comme mesure de renforcement anti-sismique, nous n’avons pas trouvé trace d’une telle démarche pour rendre les structures plus résistantes aux ondes de choc explosives. La procédure apparaît donc innovante, le dépôt de brevets n’est pas à exclure. La recherche théorique et numérique sera complétée, dans la mesure du possible, par des tests expérimentaux, visant à confirmer les approches théoriques et les calculs numériques. Ces tests, des explosions sur des modèles en échelle, seraient conduits sur deux structures: l’une, sans protection, l’autre, avec le renforcement étudié. L’objectif est d’une part confirmer par l’expérience les prédictions théoriques, de l’autre, vérifier l’effet de sauvegarde fourni par le renforcement.

The first objective of this project is the development of an efficient method for simulating the response of large masonry structures to blast actions. This strategy should: (i) allow an efficient simulation in terms of quality and reliability of the results; (ii) see a reasonable computational cost for standard computing powers for one company like Ingérop; (ii) result in an affordable handling by the technical staff of the company itself. The development of homogenization models for describing the behavior of masonry is a theoretical part integrated into the study and necessary. The objective is to develop efficient and reliable homogenization models capable of taking into account the different characteristics of masonry: low tensile strength, fracture energy, ductility, crack damage, and with special regards to a particular subject: a high-speed shock wave. The various types of masonry must also be taken into account, as well as various laws of behavior (anisotropy, visco-plasticity, damage), which prefigures different models of homogenization. The use of homogenized models seems necessary in the case of large structures to have reasonable calculation times. The development of appropriate numerical methods is foreseen in this phase of the research. An sensitivity analysis to parameters likely to increase the ability of the structure to dissipate the energy of an impact, such as the foundation system, natural or vitreous openings etc., will also be conducted in this phase. A third point is the study of methods of reinforcement. We think here primarily, but not only, of the use of modern materials such as carbon composites, which allow both low-weight and visual impact interventions that can easily be rendered null and void, of the Venice Protocol. The use of these structural techniques also requires the development of behavioral models and ideally sizing rules. The aim here is to study models for the behaviour of mixed structures under blast actions. However, although these types of intervention have been widely studied, notably in Italy as an anti-seismic reinforcement measure, we have not found any trace of such an approach to make structures more resistant to explosive shock waves. Hence, the procedure appears innovative, patent filing is not excluded. Theoretical and numerical research will be supplemented, to the extent possible, by experimental tests, aimed at confirming theoretical approaches and numerical calculations. These tests, explosions on ladder models, would be conducted on two structures: one, without protection, the other, with reinforcement studied. The objective is, on the one hand, to confirm the theoretical predictions by experiment, on the other, to verify the safeguarding effect provided by the reinforcement.