Evaluation des conséquences de défauts dans les structures composites acier-béton. Approches déterministes et probabilistes.

Assessment of the consequences of faults in steel-concrete composite structures through deterministic and probabilistic approaches

• Auteur / Autrice : Martin Debuisne
• Direction : Luc Davenne, Ludovic Jason
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Mécanique, Génie Civil
• Date : Inscription en doctorat le 19/10/2021
• Etablissement(s) : Paris 10
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Connaissance, langage, modélisation (Nanterre)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Énergétique Mécanique Électromagnétisme

Mots clés

Mots clés libres

Approche probabiliste

Défaut

Structure sandwich

Approche déterministe

Probabilistic approach

Deterministic approach

Defect

Steel-concrete-steel

Résumé

Pour faire face à des enjeux de constructibilité grandissant, les structures composites « acier-béton » (« steel – concrete » ou « SC » structures) deviennent une alternative de plus en plus crédible face aux structures classiques en béton armé. Ces éléments sont constitués d'un béton de remplissage et de deux plaques externes métalliques. Ces dernières, si elles présentent un intérêt certain pour le comportement mécanique d'ensemble (bras de levier optimisé, étanchéité, résistance aux agressions externes...), posent néanmoins une difficulté quand il s'agit de contrôler la qualité de réalisation. En effet, par construction, le béton de remplissage n'est pas visuellement accessible. Identifier les défauts possibles (parmi lesquels les défauts de bétonnage) et leurs conséquences sur le comportement mécanique peut alors devenir une question centrale, en particulier lorsqu'une utilisation pour des applications sensibles est envisagée. Concernant la caractérisation et la détection des défauts, de nombreux travaux existent dans la littérature pour l'auscultation de structures classiques en béton armé. Ces études visent généralement à comparer différentes techniques d'auscultation (contrôle non destructif) et à identifier le meilleur candidat pour caractériser les plus petits défauts accessibles. Néanmoins, les conclusions sur l'applicabilité et l'efficacité de ces méthodes sur les structures acier-béton restent actuellement mitigées. En effet les plaques d'acier constituent un obstacle électromagnétique pour les techniques d'auscultation radar et un écran acoustique pour les techniques de contrôle ultrasoniques. Parallèlement, la question des conséquences de ces défauts sur le comportement mécanique, bien que centrale, est quant à elle beaucoup moins traitée, tant expérimentalement que numériquement. Des progrès peuvent donc être envisagées sur ces deux thématiques. C'est dans ce contexte qu'est proposé le sujet de thèse. Il s'agira de développer une méthodologie numérique de référence, s'appuyant sur des travaux récents, pour caractériser l'impact d'un ou plusieurs défauts de bétonnage, de taille et de position variables, sur le comportement mécanique d'une structure acier-béton (échelle métrique). L'un des objectifs opérationnels est de disposer d'un outil permettant de déterminer une taille critique de défauts (taille, position et nombre) au-dessus de laquelle des conséquences (quantité de sortie à définir) sur le comportement mécanique sont attendues. Ce critère pourra être alors mis en lien avec les capacités des techniques d'auscultation. Le programme numérique sera complété par une campagne expérimentale à identifier, soit autour de la caractérisation des défauts (détection par approches radar et/ou ultrasoniques), soit autour de la réponse mécanique de structures avec défaut (validation méthodologique), soit en associant les deux thématiques (suivi de l'évolution des défauts lors du chargement). Le challenge consistera à contourner la difficulté d'application des méthodes d'auscultation non destructive classique en raison de la présence des plaques d'acier. Le dialogue essais-calcul se fera au moyen de techniques d'assimilation de données, tenant compte des incertitudes expérimentales et du caractère probabiliste de la modélisation et des simulations. Le sujet, centré dans un premier temps sur les défauts de bétonnage, cherchera, dans sa démarche, à être suffisamment générique pour être étendu à d'autres types de défaut. En ce sens, des développements complémentaires pourront être nécessaires. A ce stade, la problématique de la liaison acier-béton pourrait être un cas applicatif d'intérêt (effet de défauts d'adhérence). Ainsi, les résultats des travaux, bien qu'à visée applicative pour les structures composites acier-béton, pourront trouver leur application dans des domaines plus larges (béton alvéolaire, conséquences de défaut de bétonnage dans un ouvrage de génie civil ou prise en compte d'une perte d'adhérence).

Composite steel-concrete structures are becoming an increasingly realistic alternative to classical reinforced concrete structures when it comes to addressing tightening constructibility norms. Sandwich structures are composed of two external steel plates and a concrete filler in between. While the steel plates are an asset for numerous mechanical and chemical aspects (such as the optimized leverage, a better air sealing, an increased resistance to external aggressions ...), they create problems when the structure needs to be inspected to assess the quality of the build. To identify the possible faults (among which the concrete faults can be found) and the consequences of such faults on the mechanical behavior becomes the central issue, in particular when the structure is used in a sensitive area. Numerous studies can be found in the literature characterizing and detecting faults in conventional reinforced concrete structures. Those studies generally aim at comparing the available non-destructive flaw detection methods and identifying the best candidates to detect the smallest flaws. However, the conclusions on the applicability and the efficacy of these methods on concrete-steel sandwich structures remain unclear. Indeed, the steel plates are an electromagneti obstacle for radar flaw-detection methods, and an acoustic shield against ultrasounds. Moreover, while the question of the consequences of the faults on the mechanical behavior is central, it remains unaddressed in both experimental and numerical studies. Scientific progress on both experimental and numerical fields is desirable. Given this context, this thesis subject is proposed to build a reference numerical method on the existing work. The numerical simulations will help describe the impact of one or a few faults with variable sizes and positions on the mechanical behavior of the steel-concrete sandwich structure (that has the scale of the meter). One of the operational objectives is to have at hand a tool that enables to determine the critical size of a fault (in size, position and number) above which the consequences on the mechanical behavior are too limiting. Such criterion will be linked with the fault identification methods. The numerical program will be complemented by an experimental campaign to be identified, either centered around detecting the faults thanks to radar or ultrasound methods, around the mechanical response of a structure containing faults (therefore validating the numerical approach), or associating the two themes (by monitoring the evolution of the faults during the loading). The challenge will consist in solving the issues related to the non-destructive fault detection. The compliance between experimentations and simulations will be ensure via data assimilation techniques that take into account experimental errors and the probabilistic nature of the models. While initally being centered around concrete faults, the subject needs to be sufficiently generic as to be broadened to other types of faults. In this sense, complementary developments can be necessary. At this point, the steel-concrete bond could be an interesting application regarding adhesive faults. Thus, although the application of this work is focused on steel-concrete sandwich structures, the results of this work can be applied in much broader domains (such as cellular concrete, concrete faults in a civil engineering structure, or taking into account the loss of adherence).