La circulation routière toujours croissante est à l’origine d’un nombre grandissant de collisions entre les véhicules et les piliers de ponts. Pourtant, les impacts causés par les camions sur les ponts ont fait état de très peu d’études et les normes de dimensionnement comportent donc de nombreuses lacunes à leur égard. Des solutions visant à prévenir et réparer les dommages causés par ces charges d’impact sont actuellement à l’étude dont le confinement des piles par des polymères renforcés de fibres (PRF). L’objectif de ce projet est de déterminer les effets d’un tel recouvrement sur le comportement des piles de ponts lorsqu’elles sont préalablement soumises à des charges d’impact. L’effet doit être déterminé tant sur la capacité de la pile que sur sa détérioration à long terme. Afin d’atteindre cet objectif, des essais dynamiques sont effectués, en laboratoire, sur des piles avec et sans recouvrement de PRF. Ces résultats expérimentaux permettent de créer un modèle d’éléments finis à l’aide du logiciel LS-Dyna. Grâce à ce modèle, les avantages et inconvénients d’utiliser le recouvrement de PRF sont évalués. La méthode par sous-structure est utilisée afin d’analyser les effets sur l’ensemble du pont et non seulement sur la pile elle-même. Il faut s’attendre à obtenir de nombreux avantages sur le comportement des piles à suite de la pose d’un recouvrement de PRF. Toutefois, il est difficile de prévoir si ces avantages sont suffisants pour justifier le coût de construction engendré. Ce projet est donc hautement pertinent afin de quantifier les bienfaits d’une solution possible à une cause majeure d’effondrement des ponts. À plus grande échelle, cette recherche contribuera à perfectionner la norme canadienne de calculs des ponts routiers.

Dans le béton, la technique d'émission acoustique (AET) est utilisée pour caractériser les différents modes de fractures dans poutres en flexion par la méthode RA (décrite dans les recommandations du comité RILEM TC 212 ACD). D'une part, la RILEM conclut que les signaux d'EA générés à partir du mode de traction (mode I) présentent une amplitude plus faible et une fréquence plus élevée que ceux du mode de cisaillement (mode II). De plus, dans les résultats les plus récents obtenus par des essais de flexion, les auteurs ont conclu que les fissures commencent par le mode d'endommagement I, alors que le mode II apparaît juste avant la rupture finale des éprouvettes. Cependant, aucune règle spécifique pour déterminer les valeurs de RA et AF caractéristiques de chaque type de fissure n'est donnée par la recommandation RILEM. D'autre part, la méthode de classification RA est déterminée par deux paramètres qui sont la valeur RA (temps de montée par amplitude) et la valeur AF (fréquence moyenne) sans tenir compte de la position des capteurs par rapport à l'emplacement des fissures. Dans cette thèse il a été démontré que la distance entre le capteur et la source des événements affecte les deux paramètres RA et AF de façon très significative. Dans cette thèse, différents types d'essais mécaniques (flexion trois points, cisaillement induit en flexion ou en compression et traction axiale) ont été réalisés sur des éprouvettes à base de ciment (béton, mortier et pâte de ciment) pour favoriser le mode traction et/ou cisaillement. Les données brutes d'émission acoustique (AE) ont été filtrées pour éliminer les signaux liés aux différentes sources de bruit. Ensuite, l'algorithme k-means, en tant que méthode d'analyse de reconnaissance de forme (PRA), a été utilisé pour identifier les similitudes dans les signaux enregistrés, essayé de déduire les caractéristiques de la source et classifier les signaux. Le regroupement des résultats par la méthode k-means s'est avéré efficace en fournissant des informations sur RA, AF, temps de montée, durée et énergie absolue (ABEN) liées au mode I et au mode II. Ensuite, deux techniques de classification des dommages ont été proposées, dans lesquelles la méthode RA était appliquée aux signaux filtrés, soit sur la base de l'ensemble des signaux, soit en appliquant une moyenne glissante. L'emplacement de la droite de démarcation entre mode I et mode II a été définie et ainsi la proportion des modes I et II a été spécifiée. Enfin, l'évolution des signaux d'EA par rapport à la distance de déplacement a été clarifiée en menant des expériences sur des blocs de béton et de mortier. La conclusion est que les capteurs qui sont plus éloignés de la source ont reçu des valeurs RA plus élevées que les plus proches. Il est donc possible de faire une mauvaise interprétation de l'origine de signaux RA élevés et de les classer ainsi en mode II, alors qu'ils ont été générés à partir du mode I. En outre, la forme en rafale des signaux d'EA doit être distinguée des autres formes d'onde provenant d'autres sources (vibrations mécaniques dues au système de chargement, bruit électromagnétique, etc.), en particulier lors phases finales des essais. Ces formes d'ondes exceptionnelles ont une valeur RA significativement plus élevée que celles des signaux d'EA, de sorte que les utilisateurs peuvent être induits en erreur en les associant à des dommages dus au cisaillement. / In concrete, Acoustic Emission Technique (AET) has been used to characterize the different fracture modes in flexural beams by RA method (described in RILEM TC 212 ACD recommendation). On the one hand, the RILEM concludes that AE signals which are generated from tensile mode (mode I) exhibit lower Amplitude and higher Frequency than those from shear mode (mode II). Moreover, in the most recent bending tests, authors concluded that the cracks begin with the damage mode I, whereas the mode II just appears before the final failure of specimens. However, no specific rule to determine the typical RA and the AF value associated with each crack type is given by the RILEM recommendation. On the other hand, RA classification method is determined by two parameters which are the RA (Rise-time per Amplitude) and the AF (Average Frequency) value without considering the position of the sensors in conjunction with location of the cracks. In this thesis it was demonstrated that the distance from the sensor to the source of events significantly affects both RA and AF parameters. Different types of mechanical tests (three-point-bending, flexural-induced shear, compression-induced shear and uniaxial tensile) have been conducted on cement-based specimens (concrete, mortar and cement-paste) to promote tensile mode and/or shear mode in these specimens. Acoustic Emission (AE) raw data were filtered to remove noise from signals. Then, k-means algorithm, as a Pattern Recognition Analysis (PRA) method, was used to identify the similarities within the recorded signals, to deduce the characteristics of the source mechanism and to classify the filtered-signals into groups. Clustering results by k-means according to a proposed process have proven efficiency in providing information on RA, AF, Rise-time, Duration and Absolute Energy (ABEN) related to mode I and mode II. Then, two damage classification techniques were used, in which RA method was applied to filtered signals. By these techniques, the proportion of mode I and II was specified and the location of demarcation line also fixed. Finally, the evolution of AE signals versus travelling distance has been clarified by conducting the experiments on concrete and mortar blocks. The conclusion showed that sensors which have further distance from the source gave higher RA values than the nearer ones. Therefore, users may be confused about the original source of high RA signals and to classify them to mode II, while actually they were generated from mode I. Furthermore, the burst-shape of AE signal waveforms must be distinguished from other waveforms that may results from other sources (mechanical vibration due to the loading system, electromagnetic noise and etc.), especially at the final periods of the tests. These exceptional waveforms have significant higher RA value than those in AE signals, thus users may mislead that they were born from shear damages. In addition to three-point-bending tests, based on the variation of the elastic modulus of the material and the released AE energy, the relation of the Damage variable and Index Damage was established. And, to assess the degree of damage versus loading in concrete beams, Kaiser's effect was observed and the CALM ratio and LOAD ratio were proposed. Thirdly, aiming to examine the influences of the material inhomogeneity (e.g. aggregate) to the shapes of waveform of AE signals, the Cross-Correlation (CC) value have been implemented to three specimens as concrete, mortar and cement-paste beams. As conclusion, although coming from the same event, the waveforms of signals that obtained at different sensors which are placed at different distances were quite incompatible and the further sensors produced higher RA value than the nearer ones. This phenomenon reaffirms the increase of RA values as the signal travelling paths increase.

L'objectif de ce travail de recherche est le développement d'un outil numérique capable de simuler le comportement d'infrastructures sensibles soumises à des charges dynamiques extrêmes sous l'effet d'aléas naturels ou humains tels que les impacts aériens. L'étude propose pour ce faire une modélisation 3D par éléments discrets, capable de décrire des états de destructions avancés en obtenant des macro-fissures et des fragments réalistes grâce à la nature discontinue du modèle.Dans un premier temps, on a étudié de manière exhaustive l'influence des paramètres de création du maillage sur les caractéristiques dudit maillage et sur le comportement macroscopique du béton. Ensuite, on a transformé le modèle de charge dynamique en une modélisation plus réaliste de l'énergie de rupture dynamique en contrôlant l'augmentation de distance limite maximum à l'interaction. Par ailleurs, on a défini une condition de ratio entre la taille des éléments discrets et celle des éléments finis pour s'assurer d'un contact correct entre eux.La procédure d'identification des paramètres du modèle est réalisée en simulation numérique avec des essais en laboratoire: Compression et traction quasi-statiques, essai tri-axial à haut confinement, écaillage dynamique. Enfin, la fiabilité de l'approche est vérifiée sur trois essais différents d'impact violent:1) Perforation et pénétration de projectiles à tête ogivale dans des cibles cylindriques confinées (CEA-Gramat)2) Essais d'impact tranchant de projectile avec une géométrie homothétique particulière sur des dalles en béton (Erzar) / The objective of this work is development of a numerical tool capable to simulate sensitive infrastructures subjected to severe dynamic loadings due to natural or manmade hazards, such as aircrafts impacts. This study proposes a 3D discrete element method able to predict advance damage states obtaining realistic macro-cracks and materials fragments due to its discontinue nature.We thoroughly studied the influence of mesh creation parameters on the mesh characteristics and on the macroscopic concrete behaviour. Then, we modified the constitutive model for dynamic loading with a more realistic modelling of the dynamic fracture energy by controlling the increase of the maximum distance limit at the interaction scale. In addition, we defined a condition for ratio between the size of finite and discrete elements for proper contact between them.The identification procedure for the parameters of the constitutive model is analysed with simulation on laboratory test: quasi-static compression and tension, high confinement triaxial and dynamic spalling. Finally, the reliability of our approach is verified on three different types of hard impact test: 1) perforation and penetration of ogive-nosed projectiles on confined cylindrical targets (CEA-Gramat); 2) edge-on impact tests of projectiles with a particular homothetic geometry on concrete tiles (Erzar); 3) drop-weight impact on a reinforced concrete beam (University of Toronto).

Ce mémoire de thèse a été consacrée à étudier expérimentalement la perméabilité relative au gaz et à l’eau des matériaux cimentaires partiellement saturés, et à simuler numériquement le transfert d’eau dans le béton. La perméabilité relative d’un mortier de référence et d’un béton utilisé dans un centre de stockage de déchets radioactifs a été mesurée. Une méthode de mesurer la perméabilité relative à l’eau de deux bétons CEM I et CEM V, qui seront utilisés dans un stockage profond, a été proposée. Mais les quantités d’eau mis en jeu n’ont pas permis d’exploiter cette approche. Ceci indique la prépondérance de la capillarité sur la perméation lors du processus de saturation du matériau. On a ensuite mesuré la sorption capillaire de deux bétons CEM I et CEM V. A la même saturation en eau, la perméabilité relative au gaz de l’échantillon pré-traité par l’imbibition capillaire est moins grande que celle de l’échantillon pré-traité par adsorption sous humidité relative. Un double-modèle de rétention a été proposé qui peut bien modéliser l’isotherme de sorption des bétons CEM I et CEM V. La perméabilité relative au gaz et à l’eau est déduite. L’hystérésis de l’isotherme de sorption entraîne l’hystérésis de la perméabilité relative à l’eau tandis que la perméabilité relative au gaz n’a pas d’hystérésis remarquable. Avec le double-modèle de rétention et les courbes de la perméabilité relative à l’eau, on a pu simuler le processus de sorption sous humidité relative en utilisant une propre perméabilité intrinsèque à l’eau qui est dans le domaine de valeurs mesurées tandis que on n’a pas réussi à simuler l’imbibition capillaire à cause de la cinétique différente / This dissertation was devoted to study gas and water relative permeability and transfer of water in partially saturated cementitious materials. The gas relative permeability of a reference mortar and a concrete, which is used in the low and intermediate level waste storage center in Soulaines, has been measured. A method to measure water relative permeability of two concretes CEM I and CEM V, which will be used in the building of a underground disposal, has been proposed. But the difficulty of isolating the part due to the permeation in the unsaturated flow shows that the flow of capillarity is predominant in unsaturated flow. The capillary adsorption of concretes CEM I and CEM V has been measured. At the same level of water saturation, the gas relative permeability of sample pre-treated by capillary adsorption is less than that of sample pre-treated by adsorption in relative humidity. A double retention model has been proposed and it can describe the sorption isotherm of two concretes CEM I and CEM V. The curves of gas and water relative permeability are deducted. The hysteresis of sorption leads to the hysteresis of water relative permeability while there is not notable hysteresis of gas relative permeability. With double-retention model and water relative permeability expression, we can simulate sorption process under relative humidity by using a proper value of water intrinsic permeability which is in the domain of measured values

Les objectifs de la thèse sont d'étudier expérimentalement et d'effectuer des simulations numériques du comportement différé du béton. La principale application concerne la prédiction du comportement des enceintes de confinement de centrales nucléaires (REP) dans le cas des épreuves décennales et accidentelles. Afin de répondre à ces besoins industriels, il est nécessaire de caractériser le comportement du béton en traction uniaxiale. Ainsi, une importante étude expérimentale du fluage en traction sur des bétons âgés de 90 jours, chargés pendant trois jours (durée des épreuves décennales) a été menée pour différents niveaux de contrainte (50 à 90 % de la résistance). Plusieurs essais ont été réalisés : mesure des propriétés élastiques, des résistances en compression et en traction directe, suivi du séchage, du retrait, du fluage propre et du fluage de dessiccation en traction directe. Des essais en compression ont permis de mettre en évidence une différence importante entre le fluage en compression et en traction. De plus, une diminution de la résistance en traction après les essais en dessiccation a été observée, ainsi qu'une rupture prématurée pour des niveaux de chargement importants lors du fluage en traction. Un modèle numérique a été proposé et développé dans le code de calcul aux éléments finis Cast3m.

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La perméabilité du béton influence la durabilité des structures indirectement en gouvernant la vitesse de pénétration d'agents agressifs, mais aussi directement dans le cas où la structure joue un rôle d'étanchéité, ce qui est le cas des enceintes de confinement des centrales nucléaires. Dans le contexte industriel de la sûreté de ces structures, nous avons entrepris des travaux dont l'objectif est de caractériser l'évolution de la perméabilité du béton sous l'effet de la température et du chargement mécanique. <br>Les mesures de la perméabilité au gaz sont effectuées sur des éprouvettes cylindriques en béton soumises à des températures allant jusqu'à 150 °C et à une compression uniaxiale jusqu'à la rupture. Les résultats expérimentaux révèlent que les effets de la température et de l'endommagement peuvent être découplés pour l'estimation de l'évolution de la perméabilité. Ils nous ont permis de proposer une relation reliant la perméabilité à l'endommagement et à la température. Cependant, cette relation ne peut s'appliquer que dans le domaine pré-pic du comportement du béton où le béton demeure microfissuré. Afin de dépasser cette limite pour pouvoir modéliser également l'accroissement de la perméabilité en phase post-pic, un autre paramètre, qui est l'ouverture de fissure, est intégré dans la relation entre la perméabilité et l'endommagement.<br>Cette problématique, faisant l'objet d'une modélisation, est exploitée selon deux approches. La première se base sur la définition d'une loi de raccordement entre les lois existantes d'évolution de la perméabilité avec l'endommagement et l'ouverture de fissure. Avec cette approche les tendances observées expérimentalement sont retrouvées. La deuxième approche consiste à relier d'un point de vue mécanique l'endommagement avec l'ouverture de fissure puis d'appliquer la loi de Poiseuille pour déterminer la perméabilité. La validation expérimentale de cette approche, permettant de déboucher vers un modèle continu capable de reproduire les variations de perméabilité d'une structure, constitue une des perspectives de notre travail.

Nous avons réalisé dans ce travail une étude structurale de composés HDL de type hydrocalumite [Ca2M(OH)6]+[Xn 1/n . xH2O]- avec M=métal trivalent et X=anion, que nous écrivons en notation abrégée [Ca2-M-X]. L'étude de ces composés se révèle intéressante pour l'analogie qui existe avec les phases cimentaires AFm. Nous avons tout d'abord entrepris d'examiner les propriétés d'échange de ces phases notamment l'incorporation d'oxoanions solubles en milieu basique tels que SO4, CrO4, V2O7 et SiO3. L'étude par diffraction des rayons X montre un phénomène de "greffage" partiel des oxoanions sur le feuillet hydroxyde. L'étude de l'ordre local par les spectrométries d'absorption des rayons X au différents seuils K d'absorption (V, Cr et Fe) enregistrés in situ et Mössbauer du 57Fe, a permis une meilleure compréhension de l'évolution structurale de ces matériaux en température. Ils sont plus stables que leurs homologues dans le système hydrotalcite. L'étude spécifique de la phase [Ca2-Fe-CrO4] par absorption des rayons X révèle d'une part un plissement important du feuillet hydrocalumite dès l'ambiante et d'autre part le passage du cation Fe3+ d'un environnement octaédrique à un environnement tétraédrique à 175 ° C. Une étude de la stabilité de la phase monosulfate [Ca2AI(OH)6.1/2 SO4 2-. 2H2O] en condition de coprécipitation (pH = 11.5 et T = 65° C) à d'autre part été réalisée montrant notamment une conversion AFt (ettringite)-monosulfate qui rappelle celle observée dans les ciments. Une étude par spectrométrie Raman de la phase AFt a permis d'obtenir des informations précises sur la symétrie des anions sulfate et la nature du réeau de liaisons hydrogène. Finalement, nous avons montré que l'hydrocalumite pouvait aussi incorporer des cations dans le feuillet hydroxyde par substitution des ions M3+. La résolution structurale de la phase [Ca2-Sc-CI] par la méthode de Rietveld à partir des données de diffraction de rayons X sur poudre, montre une distorsion très importante de l'octaèdre Sc(OH)6 et une flexibilité importante du feuillet, certainement liée à la présence du calcium qui par sa coordinence 6+1 s'accommode d'un environnement très variable et permet ainsi une mise en ordre plus aisée des cations

Ce mémoire de thèse a été consacrée à étudier expérimentalement la perméabilité relative au gaz et à l'eau des matériaux cimentaires partiellement saturés, et à simuler numériquement le transfert d'eau dans le béton. La perméabilité relative d'un mortier de référence et d'un béton utilisé dans un centre de stockage de déchets radioactifs a été mesurée. Une méthode de mesurer la perméabilité relative à l'eau de deux bétons CEM I et CEM V, qui seront utilisés dans un stockage profond, a été proposée. Mais les quantités d'eau mis en jeu n'ont pas permis d'exploiter cette approche. Ceci indique la prépondérance de la capillarité sur la perméation lors du processus de saturation du matériau. On a ensuite mesuré la sorption capillaire de deux bétons CEM I et CEM V. A la même saturation en eau, la perméabilité relative au gaz de l'échantillon pré-traité par l'imbibition capillaire est moins grande que celle de l'échantillon pré-traité par adsorption sous humidité relative. Un double-modèle de rétention a été proposé qui peut bien modéliser l'isotherme de sorption des bétons CEM I et CEM V. La perméabilité relative au gaz et à l'eau est déduite. L'hystérésis de l'isotherme de sorption entraîne l'hystérésis de la perméabilité relative à l'eau tandis que la perméabilité relative au gaz n'a pas d'hystérésis remarquable. Avec le double-modèle de rétention et les courbes de la perméabilité relative à l'eau, on a pu simuler le processus de sorption sous humidité relative en utilisant une propre perméabilité intrinsèque à l'eau qui est dans le domaine de valeurs mesurées tandis que on n'a pas réussi à simuler l'imbibition capillaire à cause de la cinétique différente

L'objectif de ce mémoire est de faire une présentation synthétique des activités de recherche que j'ai menées au sein du LMT Cachan depuis neuf ans et de mettre en avant le fil conducteur du travail réalisé. Ce travail est la synthèse de collaborations avec différents chercheurs, industriels, doctorants et stagiaires de M2.Trois thèmes principaux seront développés ici. Ils concernent, comme le titre du mémoire l'indique, la modélisation mécanique et numérique de structures soumises à un impact. Afin de pouvoir proposer des méthodes prédictives de dimensionnement, je me suis attaché à aborder les trois éléments de bases : la modélisation du matériau, l'expérimentation sur structures et la modélisation numérique. En plus de ma notice individuelle, ce document présente donc les principaux résultats obtenus dans chacune des trois thématiques suivantes : Développement de lois de comportement adaptées à la dynamique Calculs sur structures industrielles Caractérisation expérimentale Pour chacun de ces trois thèmes, les motivations du travail et les principaux apports sont présentés en compléments de la copie d'un article représentatif des activités menées. La première partie est consacrée au premier thème de recherche développé, à savoir la modélisation du comportement des matériaux, tout particulièrement le béton, soumis à des sollicitations dynamiques. Je présenterai dans celui-ci un bref rappel du modèle développé lors de ma thèse de doctorat et qui a servi de base de travail pour une thèse que j'ai co-encadrée. Dans un deuxième temps, je présenterai un modèle d'endommagement anisotrope qui a fait l'objet de nombreux développements et publications ces dernières années. Enfin, je finirai par présenter un modèle utilisé pour les matériaux composites et que j'ai été amené à utiliser. Le seconde chapitre vise à présenter mes principales contributions concernant le développement de méthodes multiéchelles pour la représentation des matériaux et/ou de structures sous chargement sévère. Ainsi, je commencerai par présenter une approche ou le matériau n'est plus considéré comme homogène mais constitué d'une matrice et d'inclusions plus ou moins rigides. Ensuite je m'attarderai un peu plus sur deux méthodes numériques développées pour la modélisation de structure. Ces deux méthodes sont le fruit de mon passage dans le secteur ''Structures et Systèmes'' du LMT Cachan pendant 4 ans. Ceci m'a permis d'étoffer le champs de mes connaissances dans les matériaux composites et dans la méthode LATIN développée au laboratoire. La troisième partie est liée au développement d'outils de calcul prédictifs pour les problèmes d'impact. C'est pourquoi je commencerai par présenter des essais sur tour de chute que nous avons développés en collaboration avec le CEA Saclay. Ces essais nous ont ensuite été utiles pour montrer les capacités de prédictions des différentes modélisations développées. Ceci a été confirmé par la simulation d'essais de souffle et d'impact de réacteur d'avion sur des dalles en béton armé réalisés dans les années 90. Finalement, quelques perspectives sur mes activités de recherche sont proposées à la fin de ce document. Cette dernière partie présente notamment les activités de recherche et d'encadrement qui débute cette année. L'annexe correspond à mon dossier professionnel. Il contient, en plus de mon CV, mon implication dans divers contrats de recherche, mes activités d'encadrement, ainsi que la liste de mes publications scientifiques.