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

Assessment of the consequences of defects 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 ; Soutenance le 26/11/2024
• Etablissement(s) : Paris 10
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Connaissance, langage et modélisation
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Énergétique Mécanique Électromagnétisme
• Jury : Président / Présidente : Mohammed Hjiaj
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Davenne, Delphine Brancherie, Benjamin Richard, Ludovic Jason, Cédric Giry, Charles Shahrokh Ghavamian
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Delphine Brancherie, Benjamin Richard

Mots clés

Mots clés libres

Approche probabiliste

Défaut

Structure sandwich

Approche déterministe

Probabilistic approach

Deterministic approach

Defect

Steel-concrete-steel

Résumé

Les structures dites « Steel-concrete-steel » (SCS) sont une réponse aux besoins grandissants du secteur de la construction. Elles présentent de très bonnes performances, tant par leur rigidité que par leur capacité portante et leur durabilité. Ces éléments et leurs promesses de gains en rapidité de construction contribuent à augmenter leur attrait pour les concepteurs de structures exigeantes. Cependant, les plaques d'acier constituent un obstacle au contrôle de la qualité du bétonnage, a fortiori aux réparations. L'estimation des conséquences mécaniques des défauts de bétonnage est donc un besoin identifié comme stratégique pour l'application des SCS. Les travaux présentés dans cette thèse développent une méthodologie permettant de les prendre en compte dans des simulations numériques. Pour une bonne reproduction d'essais représentatifs de l'interaction connecteur-béton par le pushout, la régularisation en compression du modèle de béton est nécessaire, car elle atténue la dépendance au maillage dans les zones comprimées. La bonne représentation numérique de l’essai pushout constitue une étape nécessaire pour la simulation du comportement d'une poutre SCS. Des défauts sont introduits dans les deux simulations pour étudier leurs conséquences à des échelles diverses dans les structures SCS. La variation des sites où les défauts sont placés permet de révéler l’existence d’emplacements critiques, où les défauts possèdent les conséquences les plus importantes. A l’échelle d’une poutre en flexion, des connecteurs sont identifiés comme pouvant mener à des conséquences plus graves que les autres. En se fondant sur ces résultats, une stratégie de méta-modélisation est proposée, d’une part pour évaluer les conséquences d’un défaut sans recourir aux éléments finis, et d’autre part pour comprendre comment les caractéristiques du défaut influencent ses conséquences. Grâce à la méthode des surfaces de réponse, un polynôme est identifié sur la base d’un corpus de résultats de simulation, et rend possible par son bas coût l’estimation de probabilités de défaillance. Cette méthode est appliquée avec succès sur les essais de cisaillement de connecteur. Sur la poutre SCS en flexion, la méthode développée permet d’analyser le fonctionnement de la poutre et sa sensibilité à un défaut situé près d’un des connecteurs identifiés comme problématique.

Steel-concrete-steel (SCS) structures are a response to the growing needs of the construction sector. They exhibit high performance in terms of both stiffness and load-bearing capacity, as well as durability. These elements, along with their promise of faster construction times increases their appeal to the designers of demanding structures. However, the steel plates present a challenge for quality control after concreting, thus the repairs are impossible. Estimating the mechanical consequences of concreting defects is therefore identified as a crucial need for the successful application of SCS structures. Consequently, the work presented in this thesis develops a methodology to account for such defects in numerical simulations. For an accurate reproduction of representative tests of the stud-concrete interaction such as the pushout test, compression regularization of the concrete model is necessary, as it reduces mesh dependency in the compressed zones. A proper numerical representation of the pushout test is a critical step towards simulating the behavior of an SCS beam. Defects are introduced in both simulations to study their effects at various scales in SCS structures. By varying the location of defects in the mesh, the existence of critical zones where defects have the most significant consequences is revealed. At the scale of a beam under flexural load, certain connectors are identified as having the potential to lead to more severe consequences than others. Based on these findings, a surrogate modeling strategy is proposed to determine the consequences of a defect without resorting to finite element analysis and to understand how the characteristics of a defect influence its consequences. Using the response surface methodology, a polynomial model is identified based on a set of simulation results, which, thanks to its low computational cost, enables the estimation of failure probabilities. This method is successfully applied to pushout tests. For the SCS flexural beam, the developed method allows for an analysis of the beam’s behavior and its sensitivity to a defect located near one of the connectors identified as problematic.