Comportement des structures et équipements

Contexte

L’estimation de la vulnérabilité des constructions de génie civil sous chargement sismique constitue l’un des points centraux de la réduction de l’impact de l’aléa sismique tant des bâtiments d’habitation courants, des bâtiments tertiaires (ou liés à la sécurité civile), que des bâtiments d’installations industrielles à « risque spécial » telles que l’industrie nucléaire. Les défaillances possibles du bâti constituent une donnée d’entrée dans l’analyse probabiliste du risque sismique, tant du bâti que des équipements qui y sont placés. La vulnérabilité doit être analysée lors de l’étape de conception et aussi lors des réévaluations périodiques des ouvrages à enjeu, où il est demandé des analyses détaillées : sur la géométrie des structures de bâtiment, sur le comportement des matériaux, …

Objectifs

Les axes de R&D poursuivis visent :

  • la compréhension des phénomènes physiques concernant le comportement des structures sous sollicitations sismiques (non-linéarité, lois de comportements des matériaux locales ou complexes à l’échelle globale, amortissement provenant de divers phénomènes physiques dissipatifs, …), en s’appuyant sur l’approche expérimentale (éléments structuraux, maquettes représentatives de structures complètes 3D) grâce à la plateforme TAMARIS du CEA et sur la modélisation à différentes échelles.
  • le développement et la validation de modèles, utilisés notamment comme outil prédictif dans les approches probabilistes (probabilité conditionnelle de défaillance et courbes de fragilité), en s’appuyant sur les données obtenues par des essais, pour identifier des critères de dommage et la sensibilité en fonction des modèles et des lois de comportement utilisées. Les simulations numériques requièrent des analyses transitoires non linéaires qui s’avèrent généralement coûteuses en temps calcul ; c’est pourquoi on développe des modélisations à une échelle plus globale à partir de la description locale afin de pouvoir traiter les structures de bâtiments industriels complexes.

Les actions de recherche actuelles s’intéressent essentiellement à la modélisation du comportement du béton et du béton armé sous chargement sismique. En effet, ces matériaux sont des constituants essentiels de nombreuses constructions de génie civil.

Modèles de comportement pour le béton sous chargement sismique

Durant les cinquante dernières années, la communauté scientifique a pris conscience non seulement de l’intérêt mais aussi des difficultés de formuler des modèles constitutifs de béton sous chargement alternés. En 1991, les premiers modèles uni-axiaux de béton apparaissent. Bien qu’encore très utilisés aujourd’hui, ces derniers ne suffisent pas dès que des informations locales (ouvertures de fissures, tortuosité, etc.) sont recherchées. Récemment, un cadre constitutif permettant de prendre en comptes les principaux mécanismes de dissipation a été développé. Ce dernier a été reconnu comme ayant des propriétés intéressantes. Néanmoins, une identification de la phase de refermeture de fissure (effet unilatéral) doit être conduite. Les questions liées au critère d’unilatéralité, à sa description et à sa formulation restent actuellement ouvertes et leur apporter des éléments de réponses constitue clairement une attente de la communauté scientifique et un besoin des industriels.

Dans le cadre de l’institut SEISM, une action de recherche est menée sur l’identification du caractère unilatéral. Elle s’appuie sur une double approche modèle discrète / modèle continu. En effet, l’approche discrète doit permettre de fournir des informations locales sur le mécanisme de refermeture de fissure telles que le critère de refermeture (contrainte seuil, déformation seuil, énergie seuil, etc.). L’ensemble des informations identifiées sera ensuite intégrée dans une approche continue en vue de rendre applicable le modèle à des structures de grandes échelles.

Ces travaux permettront d’améliorer la compréhension des phénomènes non-linéaires et d’aboutir à un modèle macroscopique de comportement du béton.

À gauche : modèle éléments discrets d'un béton. À droite : réponse de modèle numérique de béton sous un chargement cyclique. Thèse de Maxime Vassaux - ENS Cachan et CEA
À gauche : modèle éléments discrets d’un béton. À droite : réponse de modèle numérique de béton sous un chargement cyclique. Thèse de Maxime Vassaux – ENS Cachan et CEA

Modélisations du béton armé sous chargement sismique

Un des constituants principaux des construction de génie civil est le béton armé. La modélisation du comportement du béton armé introduit un niveau de complexité supplémentaire par rapport à la modélisation du béton. En effet, il est nécessaire de venir prendre en compte les mécanismes d’interaction acier-béton ainsi que les phénomènes de dégradation des aciers. L’objectif des différents travaux menés dans le cadre de l’institut SEISM est le développement de modèle d’éléments structuraux intégrant ces mécanismes fins, e.g. dissipation d’énergie (Thèse de Christelle Combescure – EDF), et fournissant des informations locales telle que la fissuration (Thèse d’Ejona Kishta – CEA et ENS Cachan).

Formulation d’un modèle homogénéisé de plaque en béton armé pour des applications sismiques. Thèse de Christelle Combescure - EDF
Formulation d’un modèle homogénéisé de plaque en béton armé pour des applications sismiques. Thèse de Christelle Combescure – EDF

Pour des raisons d’efficacité numérique, les modèles développés ne prennent en compte l’ensemble des phénomènes dissipatifs. Afin d’améliorer les modèles, il est possible de venir enrichir la description de l’amortissement numérique introduit dans les simulations. La caractérisation expérimentales et numériques de l’amortissement des structures sous séismes fait partie intégrante des objectifs de l’institut SEISM (Thèse de Romain Crambuer – ENS Cachan).