Cédric GIRY(2), Benjamin RICHARD(1), Fabrice GATUINGT(2)

  1. CEA, DEN, DANS, DM2S, SEMT, Laboratoire d’Études de Mécanique Sismique. F-91191 Gif sur Yvette.
  2. LMT/ENS Cachan/CNRS/Université Paris Saclay. 61 Avenue du Président Wilson. F-94235 Cachan.

Contexte collaboratif

Les évènements récemment survenus au Japon et en Italie et plus généralement dans le monde ont clairement mis en évidence la nécessité et l’importance de considérer le chargement sismique comme un facteur de risque à part entière dans l’évaluation structurale des ouvrages neufs ou existants, qu’ils soient civils ou nucléaires. Pour apporter des éléments de réponse à cette problématique et proposer des méthodologies de renforcement de structures existantes par tissu polymérique, le LMC² (Université de Lyon 1), le CEA, l’IFSTTAR et l’École Normale Supérieure Paris-Saclay se sont associés dans le cadre du projet ILISBAR soutenu par l’ANR. Ce partenariat permet d’allier un ensemble de compétences tant sur des aspects expérimentaux, de l’échelle du matériau à celle de la structure, que sur des aspects développement de modèles et calcul de structures.

Ce projet est soutenu et s’intègre également dans les actions menées par l’Institut SEISM (Seismology and Earthquake engineering for rISk assessMent) Paris-Saclay Research Institute sur le Campus de Paris-Saclay. Cet institut, composé du CEA, EDF, le CNRS, CentraleSupélec et l’École Normale Supérieure Paris-Saclay, constitue l’un des premiers projets transverses du Laboratoire d’Excellence LASIPS (Laboratoire Systèmes et Ingénierie de Paris Saclay), dans la cadre de l’IDEX Paris-Saclay. Adossé au moyen expérimental unique en Europe qu’est l’installation TAMARIS du CEA Saclay, et bénéficiant des moyens de simulation de ses membres, cet institut a pour objectif d’appréhender l’ensemble des phénomènes « de la faille à la structure » et de dégager les consensus scientifiques nécessaires au développement de méthodes d’ingénierie et à leur déclinaison dans les réglementations nationales selon le type d’installations : « courantes » et à « risque spécial ». En particulier, le développement de modèles numériques simplifiés robustes et utilisables en contexte probabiliste constitue un maillon essentiel de cette chaîne. La nécessité de tels développements permettant d’alimenter les études de sûreté répond au besoin exprimé par la communauté œuvrant dans le domaine de l’évaluation du Risque Sismique.

Contexte scientifique

Le travail proposé dans le cadre de cette thèse de doctorat s’inscrit dans la problématique générale de la compréhension du comportement d’éléments de structure en béton armé renforcés ou ayant été réparés après avoir subi un chargement sismique. Plus particulièrement, on s’intéressera au cas des jonctions entre éléments structuraux (poteau/poutre et voile/plancher). Ce travail comporte trois verrous scientifiques principaux :

  • La description (numérique) d’un état d’endommagement initial à l’échelle d’un composite (béton armé et tissus polymérique) ;
  • La description des mécanismes dissipatifs intervenant dans le béton, dans l’acier, à l’interface acier/béton et à l’interface béton/composite ;
  • L’identification des paramètres d’entrée du modèle constitutif global.

La description du comportement d’éléments de structure préalablement dégradés représente un défi scientifique en soi. En effet, cette étape nécessite soit de (i) supposer un modèle constitutif ayant des capacités prédictives bien établi soit de (ii) recourir à des stratégies d’identification de champ. Cette étape nécessitant un lien étroit entre analyse numérique et expérimental amènera des échanges avec le LMC² (Université de Lyon 1).

La littérature témoigne de nombreux travaux visant à décrire un certain nombre de mécanismes dissipatifs intervenant au cours des processus de dégradation d’un élément de structure en béton armé. Ces derniers sont principalement conditionnés par le type de sollicitations qui se développent dans l’élément de structure. Dans le cadre des zones de jonction entre plusieurs éléments de structure, le type de sollicitations peut être conditionné par l’état d’endommagement ou encore par la géométrie de l’ensemble. Il semble donc nécessaire de bien estimer les zones dans lesquelles les sollicitations sont du même type afin d’être en mesure de définir une stratégie de modélisation appropriée. De plus, en s’intéressant au comportement d’un élément dégradé ayant été réparé, il semble primordial de bien décrire le comportement des zones d’interface (acier/béton ou encore béton/composite) en vue de bien représenter les mécanismes de dégradation.

Lors d’un processus de chargement, qu’il soit monotone ou cyclique, les matériaux quasi-fragiles comme le béton ou encore l’interface acier/béton exhibent des non linéarités matérielles. L’effet de mécanismes locaux fins tels que la fissuration du béton ou encore le glissement entre l’acier et le béton a un impact majeur sur la tenue structurale globale et se doit d’être pris en compte. Classiquement, les phénomènes non linéaires intervenant au cours du chargement des matériaux quasi fragiles sont pris en compte par des approches continues nécessitant le recours à des lois de comportement fines). Bien que les approches continues aient montré leur efficacité à maintes reprises, l’ensemble de la communauté scientifique reconnaît la lourdeur numérique associée à leur mise en œuvre qui, par conséquent, les rend inutilisables en contexte probabiliste ou pour des applications à l’échelle de la structure. De manière plus précise, les coûts de calcul prohibitifs observés sont essentiellement dus à la nécessité d’une part d’adjoindre une méthodologie de régularisation afin de diminuer les phénomènes de dépendance des résultats (aussi bien globaux que locaux) au maillage et d’autre part, de recourir à une technique de post-traitement permettant d’extraire les informations fines telles que les ouvertures de fissures ou encore leur position. Toutefois, une utilisation de stratégies de modélisation fines prend tout son sens dans le cadre de l’expérimentation numérique.En effet, la simulation de la réponse mécanique d’un volume élémentaire représentatif ou d’un élément de structure vu comme un composant en considérant une description fine des mécanismes dissipatifs ayant lieu peut permettre de mieux identifier les paramètres d’un modèle macroscopique. C’est alors qu’une description par cinématique simplifiée offrant un compromis entre temps de calcul et finesse de description peut être considérée pour décrire des mécanismes dissipatifs, par exemple à l’aide de variables généralisées.

Objectifs

Les objectifs de ce travail sont les suivants : (i) formuler et implanter dans CastLab-CEA ou Cast3M-CEA un élément fini qui permettra la description du comportement dynamique global d’éléments de structure en béton armé ayant été renforcées et (ii) proposer une méthodologie d’identification de ce modèle.

Retombées et interactions

Le développement d’un élément fini répondant aux exigences présentées précédemment répond clairement aux demandes exprimées par la communauté scientifique et permettra de combler une lacune, identifiée au sein du projet ILISBAR. Ces travaux doivent pouvoir fournir un corpus d’outils permettant d’estimer la réponse de structures renforcées. Les informations liées aux ouvertures de fissures, dont l’estimation numérique reste un sujet animant la communauté scientifique, pourront alimenter les études de sûreté. En effet, l’estimation de ces quantités locales reste essentielle dès lors que l’on cherche à quantifier des débits de fuite au niveau de l’enceinte en situation post-sismique, à la suite d’un accident grave. Enfin, ces développements se positionnent clairement dans la continuité de ceux réalisés dans le cadre du projet national CEOS.fr et des projets ANR MEFISTO, PIA SINAPS@ et ANR IMPERMISE.

Infos pratiques

 

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