Évaluation structurale post-incendie des monuments en pierre. Application à la cathédrale Notre-Dame de Paris

Postfire structural assessment of stone masonry buildings. Application to Notre-Dame de Paris.

• Auteur / Autrice : Colin Guenser
• Direction : Nathalie Domede
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 10/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMDC - Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de Toulouse
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Toulouse, INSA
• Jury : Président / Présidente : Thierry Ciblac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Domede, Anne-Lise Beaucour, Jean-Patrick Plassiard, Gianmarco De felice, Marie Salgues
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Lise Beaucour, Jean-Patrick Plassiard

Mots clés

Mots clés libres

Maçonnerie

Méthode des éléments finis (MEF)

Diagnostic post-incendie

Méthode des éléments discrets (MED)

Analyse et calcul non linéaire

Patrimoine

Masonry

Finite element method (FEM)

Post-fire diagnostic

Discret element method (DEM)

Analysis and nonlinear calculation

Heritage

Résumé

Une large portion du patrimoine bâti est constituée de structures maçonnées, dans les secteurs du génie civil, du bâtiment et des Établissements Recevant du Public (ERP) tels que les théâtres, hôtels de ville, édifices religieux. Ces ERP ont une valeur historique, architecturale et économique inestimable. Leur sauvegarde est un enjeu majeur. Des évènements récents ont malheureusement rappelé qu’ils sont exposés au risque d’incendie avec des conséquences dévastatrices (cathédrale de Turin en 1997, cathédrale Notre-Dame de Paris en 2019, et très récemment la bourse de Copenhague en 2024). Les questions relatives à l’aptitude au service de ces ERP après un incendie ont peu de réponses. Comment diagnostiquer la stabilité résiduelle post-incendie d’une structure maçonnée ? Plusieurs verrous scientifiques entravent la faisabilité d’un tel diagnostic. Les effets des hautes températures et du refroidissement sur les caractéristiques thermomécaniques des matériaux constitutifs de la maçonnerie (pierre et mortier) sont peu connus. De plus, le comportement non linéaire et anisotrope du composite pierre/mortier complexifie l’analyse structurale. Le but de cette thèse est d’élaborer une méthode de diagnostic post-incendie des structures en maçonnerie de pierre basée à la fois sur des travaux expérimentaux et numériques, puis de la mettre en œuvre dans le cas de la cathédrale Notre-Dame de Paris. La méthode comprend quatre phases. La première consiste à recueillir des données historiques et techniques de l’ouvrage permettant l’identification des matériaux constitutifs de la maçonnerie et des altérations de la structure. La seconde phase consiste en la caractérisation expérimentale et la modélisation thermomécanique des matériaux sous hautes températures (modèle d’endommagement ENDO3D). Puis, l’homogénéisation numérique de la maçonnerie de pierre est réalisée suivant deux approches complémentaires : d’une part, une approche continue Éléments Finis, et d’autre part, une approche discontinue hybride Éléments Finis / Éléments Distincts. Enfin, les résultats des étapes précédentes permettent de construire un jumeau numérique de l’ouvrage, utilisé pour simuler l’incendie et le comportement mécanique post-incendie de la cathédrale Notre-Dame de Paris. Il devient ainsi possible d’analyser l’aptitude au service d’un édifice gothique après un incendie.

A large proportion of our built heritage is made up of masonry structures in the civil engineering sector and buildings open to the public, such as theatres, town halls, and religious buildings. These buildings have inestimable historical, architectural, and economic values. Therefore, safeguarding them is a major challenge. Unfortunately, recent events have reminded us that they are exposed to the risk of fire, with devastating consequences (Turin Cathedral in 1997, Notre-Dame Cathedral in Paris in 2019, and very recently the Copenhagen historic Stock Exchange in 2024). There are a few answers to questions regarding the serviceability of these buildings after a fire. How can the residual post-fire stability of a masonry structure be diagnosed? Several scientific obstacles stand in the way of such a diagnosis. Little is known about the effects of high temperature and cooling on the thermomechanical characteristics of masonry materials (stone and mortar). In addition, the nonlinear and anisotropic behaviour of the stone/mortar composite complicates structural analysis. The aim of this thesis is to develop a post-fire diagnosis method for stone masonry structures based on both experimental and numerical work and then to implement it in the case of the Notre-Dame Cathedral in Paris. This method comprises of four phases. The first consists of collecting historical and technical data on the structure, enabling the identification of the materials constituting the masonry, construction methods used by the builders, and alterations to the structure. The second phase consists of the experimental characterisation and thermomechanical modelling of the materials at high temperatures (ENDO3D damage model). Then, the numerical homogenisation of the stone masonry is carried out using two complementary approaches: on the one hand, a continuous Finite Element approach, and on the other hand, a hybrid discontinuous Finite Element/Distinct Element approach. Finally, the results of the previous stages are used to build a digital twin at the scale of the structure, enabling the simulation of the fire and post-fire mechanical behaviour of the Notre-Dame Cathedral in Paris. This makes it possible to analyse the serviceability of a Gothic building after a fire.