Les structures en béton armé sont amenées à répondre à différentes exigences pouvant dépasser la simple résistance mécanique. Pendant le processus de fissuration, les contraintes dans le béton armé sont progressivement redistribuées entre l’acier et le béton via l’interface entre ces deux matériaux. Cette redistribution de contraintes a un impact direct sur l’état de fissuration final et doit donc être prise en compte dans la modélisation. Il existe différents modèles numériques capables de représenter les effets de la liaison acier-béton. Cependant, leur usage est, pour l’instant, incompatible avec les applications concernant les structures de grandes dimensions (difficultés de maillage, coût de calcul…). Dans ce cadre d’application, l’hypothèse de liaison parfaite entre l’acier et le béton (déplacement identique) est donc toujours utilisée. On se propose ici de développer un nouveau modèle éléments finis de liaison acier-béton qui soit à la fois représentatif des phénomènes physiques se produisant à l’interface entre les deux matériaux et compatible avec les contraintes de modélisation des structures de grandes dimensions. Ce travail de thèse se découpe en trois grandes parties : - le développement d’un modèle élément fini de liaison acier-béton adapté aux contraintes de modélisation des structures de grandes dimensions. Ce modèle numérique permet ainsi de tenir compte des interactions mécaniques entre le béton et les armatures d’acier représentées à l’aide d’éléments barres. - la caractérisation du comportement de la liaison acier-béton. Un modèle de loi d’adhérence (évolution de la contrainte d’adhérence en fonction du glissement) basé sur des observations expérimentales (campagne expérimentale de pull-out menée au cours de la thèse et données bibliographiques) est proposé. Il permet en particulier de différencier le cas d’une rupture par arrachement, d’une rupture par éclatement en tenant compte des caractéristiques matériaux et géométriques de la structure. - l’application du modèle proposé à un élément structurel (poutre). Un essai de poutre en flexion quatre points visant à caractériser l’évolution de la fissuration (évolution de l’ouverture de fissure mesurée à l’aide de la technique de corrélation d’images notamment) a ainsi été proposé. Ces résultats ont ensuite été comparés à ceux de simulations numériques tenant compte de la liaison acier-béton d’une part ou de l’hypothèse de liaison parfaite d’autre part. Les deux modélisations donnent une bonne approximation du comportement extérieur de la structure (comportement global et ouvertures de fissure des surfaces extérieures de la poutre). Le modèle de liaison acier-béton apporte cependant une meilleure caractérisation de la phase de fissuration active (apparition des fissures) et modifie plus particulièrement le comportement local de la structure à proximité directe des armatures (limitant le développement de l’endommagement du béton le long des renforts). / Reinforced concrete structures may have to fulfill functions that go beyond their simple mechanical resistance. During the cracking process, stresses are progressively transferred from steel to concrete through the steel-concrete interface. This stress transfer has a direct impact on the crack properties. Taking into account these effects seems thus essential to predict correctly the cracking of reinforced concrete structures. Different models exist to represent the steel-concrete bond behavior. However, these models are rarely compatible with large scale simulations (meshing difficulties, heavy computational cost…). To overcome these difficulties, a perfect relation between steel and concrete (same displacements) is generally considered for structural applications. In this contribution, a new finite element approach is proposed to represent the steel-concrete bond effects in a context adapted for large scale simulations. This thesis is divided in three parts: - the development of a finite element steel-concrete bond model adapted for large scale structural applications . This model takes into account mechanical interactions between concrete and steel reinforcement represented by truss elements. - the characterization of the steel-concrete bond behavior. A model for the bond stress-slip law based on experimental observations (experimental campaign on pull-out test carried out during the thesis and data of literature) is proposed. This model differentiates the case of a pull-out failure and of splitting failure and takes into account the material properties and the geometric characteristics of the structure. - an application of the proposed model on a structural element (beam). A four point bending beam is experimentally tested. This test aims to characterize the crack evolution (in particular the crack opening using the image correlation technique). Experimental results are then compared with numerical simulations taking into account the bond–slip effect between steel and concrete or considering the perfect relation hypothesis. The two simulations give a good approximation of the external behavior of the structure (global behavior and crack opening on the external face of the beam). Nevertheless, the bond model improves the cracking description during the active cracking phase (beginning of crack apparition) and influences the local behavior of the structure especially near the steel bars (avoiding the propagation of the damage of concrete along the steel reinforcement).

Lors de l'étude du béton armé, la liaison acier béton est un élément "clé" dans le comportement du composite car celle-ci permet le transfert des efforts entre les armatures et le béton. La compréhension du phénomène, ainsi que sa prise en compte dans l'analyse numérique des structures en " béton armé ", ont été le principal objet de ce travail de recherche. Ainsi, on a formulé un modèle de comportement non linéaire thermodynamique de la liaison, écrit en termes de contrainte-déformation, supporté par un élément spécial d'interface 2D d'épaisseur nulle. Ensuite, on a effectué une identification des paramètres ainsi que quelques exemples d'analyse. Finalement, on a montré les bases d'un Elément Fini Enrichi pour le béton armé englobant les trois composants : béton - liaison - acier.

Les structures en béton armé sont amenées à répondre à différentes exigences pouvant dépasser la simple résistance mécanique. Pendant le processus de fissuration, les contraintes dans le béton armé sont progressivement redistribuées entre l'acier et le béton via l'interface entre ces deux matériaux. Cette redistribution de contraintes a un impact direct sur l'état de fissuration final et doit donc être prise en compte dans la modélisation. Il existe différents modèles numériques capables de représenter les effets de la liaison acier-béton. Cependant, leur usage est, pour l'instant, incompatible avec les applications concernant les structures de grandes dimensions (difficultés de maillage, coût de calcul...). Dans ce cadre d'application, l'hypothèse de liaison parfaite entre l'acier et le béton (déplacement identique) est donc toujours utilisée. On se propose ici de développer un nouveau modèle éléments finis de liaison acier-béton qui soit à la fois représentatif des phénomènes physiques se produisant à l'interface entre les deux matériaux et compatible avec les contraintes de modélisation des structures de grandes dimensions. Ce travail de thèse se découpe en trois grandes parties : - le développement d'un modèle élément fini de liaison acier-béton adapté aux contraintes de modélisation des structures de grandes dimensions. Ce modèle numérique permet ainsi de tenir compte des interactions mécaniques entre le béton et les armatures d'acier représentées à l'aide d'éléments barres. - la caractérisation du comportement de la liaison acier-béton. Un modèle de loi d'adhérence (évolution de la contrainte d'adhérence en fonction du glissement) basé sur des observations expérimentales (campagne expérimentale de pull-out menée au cours de la thèse et données bibliographiques) est proposé. Il permet en particulier de différencier le cas d'une rupture par arrachement, d'une rupture par éclatement en tenant compte des caractéristiques matériaux et géométriques de la structure. - l'application du modèle proposé à un élément structurel (poutre). Un essai de poutre en flexion quatre points visant à caractériser l'évolution de la fissuration (évolution de l'ouverture de fissure mesurée à l'aide de la technique de corrélation d'images notamment) a ainsi été proposé. Ces résultats ont ensuite été comparés à ceux de simulations numériques tenant compte de la liaison acier-béton d'une part ou de l'hypothèse de liaison parfaite d'autre part. Les deux modélisations donnent une bonne approximation du comportement extérieur de la structure (comportement global et ouvertures de fissure des surfaces extérieures de la poutre). Le modèle de liaison acier-béton apporte cependant une meilleure caractérisation de la phase de fissuration active (apparition des fissures) et modifie plus particulièrement le comportement local de la structure à proximité directe des armatures (limitant le développement de l'endommagement du béton le long des renforts).

Cette thèse développe une stratégie multi-échelle pour représenter le comportement mécanique des armatures et des câbles de précontrainte dans une structure en béton armé. Cette stratégie est déclinée en plusieurs étapes, permettant d'intégrer progressivement de nouveaux phénomènes physiques dans la modélisation. Le premier modèle asymptotique développé permet de représenter le comportement élastique effectif d'hétérogénéités périodiquement réparties sur une surface. Il combine un comportement d'interface élastique et un comportement de membrane. Un second modèle asymptotique s'intéresse ensuite au comportement de fibres rigides réparties sur une surface, et susceptibles de glisser par rapport au volume environnant. Ces modèles présentent l'avantage d'induire moins de concentrations de contraintes que les modèles de barres utilisés classiquement. Ils sont implantés dans le code éléments finis Code_Aster, et validés par rapport à des simulations tridimensionnelles de référence. Leur interaction avec une fissure présente dans le béton est étudiée. Enfin, cette stratégie permet de modéliser des essais expérimentaux réalisés sur une portion d'enceinte de confinement à l'échelle 1.

L'objectif de cette thèse est de mettre en place un cadre numérique qui permet de simuler la réponse de structures en béton armé de taille industrielle soumises à des impacts sévères. Notre modèle repose sur trois ingrédients principaux : 1) la modélisation éléments discrets (ED) du béton, permettant de profiter de la nature « discrète » de cette formulation et de décrire facilement l'apparition et la propagation des discontinuités fortes de la matière ; 2) la modélisation éléments finis (EF) poutre des armatures, donnant la possibilité de représenter toute la complexité du ferraillage que l'on rencontre dans les structures industrielles en béton armé ; 3) un modèle de liaison acier-béton original, que nous avons proposé et mis en œuvre dans le code EUROPLEXUS, et qui constitue le principal apport de cette thèse. Nous avons effectué une étude théorique et numérique sur la stabilité et la précision de ce modèle de liaison, et avons calibré ses paramètres en simulant un essai d'arrachement. En modélisant l'essai de traction d'un tirant (barre en béton contenant une armature), nous avons montré la capacité de notre modèle à reproduire le transfert des efforts entre le béton et l'armature au niveau de l'interface acier-béton. Testé et validé sur des cas-tests élémentaires, le modèle mixte ED-EF a ensuite été appliqué à la simulation de vraies structures en béton armé. Nous avons simulé de manière détaillée quelques essais connus (l'impact mou sur poutre CEA, l'essai Meppen II-4), ce qui a permis de valider l'ensemble de notre approche numérique et de recueillir des éléments pour définir les pistes d'amélioration des modèles que nous avons mis en œuvre. / The aim of this work is to set up a numerical framework to simulate the behaviour of industrial size reinforced concrete structures subjected to severe impacts. Our model is based on three main features : 1) modeling of the concrete with a discrete method to handle easily strong material discontinuities such as initiation and propagation of macro-cracks ; 2) modeling of the reinforcement bars with finite element method to be able to represent complex reinforcement cages of industrial structures ; 3) an original steel-concrete bond model that we proposed and implemented in the dynamic explicit code EUROPLEXUS and that constitutes the main task of this work. We studied theoretically and numerically this model to guarantee its stability and precision during the time integration. We calibrated its parameters by simulating pull-out tests. To verify our model, we simulated a tie-test (a long concrete column which contains a reinforcement bar) and showed that our model ensures the correct transfert of forces between steel and concrete. After testing our model on simple benchmarks, we simulated real reinforced concrete structures subjected to impacts (soft impact on a beam, Meppen test n°II-4), allowing us to validate our numerical approach and to define some perspectives to improve the models we have developped.

L'objectif de cette thèse est de mettre en place un cadre numérique qui permet de simuler la réponse de structures en béton armé de taille industrielle soumises à des impacts sévères. Notre modèle repose sur trois ingrédients principaux : 1) la modélisation éléments discrets (ED) du béton, permettant de profiter de la nature « discrète » de cette formulation et de décrire facilement l'apparition et la propagation des discontinuités fortes de la matière ; 2) la modélisation éléments finis (EF) poutre des armatures, donnant la possibilité de représenter toute la complexité du ferraillage que l'on rencontre dans les structures industrielles en béton armé ; 3) un modèle de liaison acier-béton original, que nous avons proposé et mis en œuvre dans le code EUROPLEXUS, et qui constitue le principal apport de cette thèse. Nous avons effectué une étude théorique et numérique sur la stabilité et la précision de ce modèle de liaison, et avons calibré ses paramètres en simulant un essai d'arrachement. En modélisant l'essai de traction d'un tirant (barre en béton contenant une armature), nous avons montré la capacité de notre modèle à reproduire le transfert des efforts entre le béton et l'armature au niveau de l'interface acier-béton. Testé et validé sur des cas-tests élémentaires, le modèle mixte ED-EF a ensuite été appliqué à la simulation de vraies structures en béton armé. Nous avons simulé de manière détaillée quelques essais connus (l'impact mou sur poutre CEA, l'essai Meppen II-4), ce qui a permis de valider l'ensemble de notre approche numérique et de recueillir des éléments pour définir les pistes d'amélioration des modèles que nous avons mis en œuvre. / The aim of this work is to set up a numerical framework to simulate the behaviour of industrial size reinforced concrete structures subjected to severe impacts. Our model is based on three main features : 1) modeling of the concrete with a discrete method to handle easily strong material discontinuities such as initiation and propagation of macro-cracks ; 2) modeling of the reinforcement bars with finite element method to be able to represent complex reinforcement cages of industrial structures ; 3) an original steel-concrete bond model that we proposed and implemented in the dynamic explicit code EUROPLEXUS and that constitutes the main task of this work. We studied theoretically and numerically this model to guarantee its stability and precision during the time integration. We calibrated its parameters by simulating pull-out tests. To verify our model, we simulated a tie-test (a long concrete column which contains a reinforcement bar) and showed that our model ensures the correct transfert of forces between steel and concrete. After testing our model on simple benchmarks, we simulated real reinforced concrete structures subjected to impacts (soft impact on a beam, Meppen test n°II-4), allowing us to validate our numerical approach and to define some perspectives to improve the models we have developped.

La modélisation de la fissuration du béton armé à l'aide de la méthode des éléments finis nécessite de prendre en compte, outre l'endommagement du béton, trois phénomènes : la spécificité de la liaison acier-béton, l’autocontrainte due au retrait, et l'effet d'échelle probabiliste dû à l'hétérogénéité du béton. Cette recherche s'appuie sur une campagne expérimentale pour obtenir le comportement de la liaison et les caractéristiques des fissures sur des éléments de structures. La technique de corrélation d'images numériques a été utilisée pour observer l'espacement et l'ouverture des fissures.La liaison acier-béton est considérée dans la modélisation à l'aide d'éléments d'interface élasto-plastiques basés sur les résultats expérimentaux des tests de pull-out. Les effets du retrait sont pris en compte via un cadre poro-mécanique. Enfin, l'effet d'échelle probabiliste est intégré dans la modélisation via une méthode de champs aléatoires, puis de maillon faible. La modélisation est appliquée à l'élément de structure en béton armé étudié en laboratoire ce qui permet de quantifier l'importance relative de la liaison acier-béton, des contraintes induites par le retrait empêché, et de l'hétérogénéité du matériau. / The modelling of cracking of reinforced concrete using the finite element method requires taking into account, in addition to the concrete damage, three phenomena: the specificity of the steel-concrete bond, the self-stress due to shrinkage, and the probabilistic scale effect due to the heterogeneity of concrete. This research is based on an experimental campaign to obtain the behaviour of the bond and the characteristics of the cracks on structural elements. The technique of digital image correlation was used to observe the spacing and opening of the cracks.The steel-concrete bond is considered in modelling using elastoplastic interface elements based on the experimental results of the pull-out tests. The effects of shrinkage are taken into account via a poro-mechanical framework. Finally, the probabilistic scale effect is integrated into the modelling via a random field method and then a weakest link one. Modelling is applied to the reinforced concrete structural element studied in the laboratory, which makes it possible to quantify the relative importance on cracking of the steel-concrete bond, the stresses induced by shrinkage, and the tensile strength heterogeneity of the material.

Ces travaux ont pour but d'étudier le comportement mécanique de structures précontraintes et d'évaluer l'influence de la technologie de précontrainte utilisée : précontrainte par torons adhérents, précontrainte par torons non-adhérents TGG. Le champ d'application final porte sur l'analyse de la sûreté et de la durabilité des enceintes de confinement de centrales nucléaires. L'attention est alors portée principalement sur le comportement à la fissuration du béton et au rôle de la liaison mécanique torons de précontrainte-structure.La démarche proposée se décompose en trois étapes successives. Elle débute par la caractérisation expérimentale des mécanismes de dégradation à l'échelle de la structure (essais de flexion 4 points sur poutres précontraintes) et à l'échelle locale du matériau (fissuration, déformations différées du béton, liaisons armatures passives-béton et torons-structure par des essais d'arrachement et de traction sur tirants). Une instrumentation multiple (CIN, fibres optiques) favorise la robustesse de la démarche. Des modèles numériques sont ensuite développés pour décrire les mécanismes caractérisés expérimentalement. Un intérêt particulier est porté à la modélisation mésoscopique de l'interface armatures-béton et macroscopique de l'interface torons-coulis d'injection. L'utilisation des différents modèles, couplée à la prise en compte de l'évolution temporelle des déformations différées du béton, favorise une analyse prédictive du comportement des structures étudiées.L'application à une tranche d'enceinte de confinement permet de prédire l'influence de la technologie de précontrainte utilisée sur le comportement à la fissuration de la structure. / This work aims to study the mechanical behavior of partially prestressed structures and to evaluate the influence of the post-tensioning system: bonded tendons, individual unbonded greased and sheathed strands. Under the scope of the safety and durability of nuclear containments, specific attention is devoted to the concrete cracking behavior and to the role of the mechanical tendons-structure bond. The proposed approach is divided into three successive parts. It starts with an experimental study of damage mechanisms at the structural level (4-point bending tests on prestressed concrete beams) and at the local scale (cracking, delayed strains of concrete, reinforcement-concrete bond, tendons-structure bond with pull-out tests and tension tests on reinforced concrete ties). The used instrumentation (DIC, optical fibers) allows for the robustness of the approach. Numerical models are then developed, based on the previous characterized mechanisms. A particular interest is focused on the meso-modeling of the reinforcement-concrete interface and on the macro-modeling of the tendons-injected grout bond. The use of the developed models, considering in parallel the influence of the evolutive delayed strains of concrete, provides a predictive analysis of the mechanical behavior of the studied prestressed structures. A final application to a part of a nuclear containment offers an accurate prediction of the influence of the post-tensioning system on the cracking behavior of the structure.

Le comportement de l’interface acier-béton a une grande importance lorsque la fissuration des structures en béton armé est étudiée. Une approche par éléments finis a été proposée par (Torre-Casanova, 2013) et (Mang, 2016) pour représenter l'interface acier-béton dans les simulations de structures à grandes dimensions Le modèle proposé permet de calculer le glissement tangentiel entre l'acier et le béton. L’objectif de cette étude est d’améliorer ce modèle initial pour le rendre plus efficace et plus représentatif. Le document est découpé en trois parties : 1) Le modèle initial de liaison est évalué. Puis amélioré tant en chargement monotone qu’alterné. Le nouveau modèle est validé par plusieurs applications numériques. 2) L'effet de confinement est implémenté dans le modèle de liaison acier-béton. L'effet sur le comportement structural du confinement actif est étudié en utilisant le nouveau modèle. A partir des simulations proposées, il est montré, par l’utilisation du nouveau modèle, que l’effet de confinement actif peut jouer un rôle sur les comportements monotone que cyclique. 3) L'effet goujon est étudié avec le nouveau modèle liaison acier-béton. Deux campagnes expérimentales différentes sont simulées avec différents modelés de renforts (1D barre et poutre) et d’interface (liaison acier-béton et liaison parfaite). Les résultats montrent que le nouveau modèle de liaison acier-béton permet de mieux reproduire les résultats expérimentaux par rapport au modèle de liaison parfaite aux échelles globale et locale. / In numerical applications of reinforced concrete structures, the steel-concrete interface behavior has a vital importance when the cracking properties are investigated. A finite element approach for the steel-concrete interface to be used in large-scale simulations was proposed by (Torre-Casanova, 2013) and (Mang, 2016). It enables to calculate the slip between the steel and concrete in the tangential direction of the interface element representation. The aim is here to improve the initial bond-slip model to be more efficient and more representative. The document is divided into three parts: 1) The existing bond-slip model is evaluated. The bond-slip model is then improved by considering transversal and irreversible bond behaviors under alternative loads. The new bond-slip model is validated with several numerical applications. 2) Confinement effect is implemented in the bond-slip model to capture the effect of external lateral pressure. According to the performed numerical applications, it is demonstrated how the active confinement can play a role, through the steel-concrete bond, during monotonic and cyclic loading cases. 3) Dowel action is finally investigated with the new bond-slip model. Two different experimental campaigns (Push-off tests and four-point bending tests) are reproduced with different reinforcement (1D truss and beam) and interface (new bonds-slip and perfect bond) models. The results show that the proposed simulation strategy including the bond slip model enables to reproduce experimental results by predicting global (force-displacement relation) and local behaviors (crack properties) of the reinforced concrete structures under shear loading better than the perfect bond assumption which is commonly used in the industrial applications.

Le comportement des structures en béton armé peut s’avérer extrêmement complexe en cas de dépassement de la limite de fissuration du béton. Le caractère composite du béton armé doit être représenté finement. Pour la simulation des structures industrielles, les modèles numériques employés supposent une relation parfaite entre le béton et les armatures qui non seulement ne prennent pas en compte la complexité de la relation entre les deux matériaux mais aussi ne permet pas de présenter finement les caractéristiques de la fissuration étant directement liée à celle des aciers. Dans la littérature, plusieurs méthodes numériques sont proposées pour étudier finement les caractéristiques de la liaison acier-béton, mais toutes ces méthodes posent des difficultés pour les calculs de structures complexes en 3D. En partant des résultats obtenus dans le cadre de la thèse de Torre-Casanova (2012), une nouvelle formation d’un modèle de liaison acier-béton a été développée pour améliorer les performances et la représentativité (comportement cyclique). Ce nouveau modèle a été validé sur un tirant par comparaison avec une solution analytique et des résultats expérimentaux et également testé à l’échelle structurelle pour simuler le comportement d’un voile en cisaillement. Compte tenu de la difficulté pour caractériser numériquement l’ouverture de fissure en cas de fissuration complexe, une nouvelle méthode de post-traitement a également été développée. Finalement, le développement du comportement cyclique de la loi d’adhérence avec enveloppe non-réduite est intégré dans le modèle de liaison acier-béton pour prendre en compte l’irréversibilité du glissement et le boucle d’hystérésis lors du chargement en charge-décharge ou du chargement cyclique. L’application sur un tirant et sur un voile en cisaillement est également effectuée afin d’investiguer le comportement global et local. / Reinforced concrete structure behavior can be extremely complex in the case of exceeding the cracking threshold. The composite characteristics of reinforced concrete structure should be finely presented. In order to compute the industrial structures, a perfect relation hypothesis between steel and concrete is supposed in which not only the complex phenomenon of the two-material relation is not taken into account, but it is also unable to predict the crack characteristics, which is directly linked to the steel. In literature, several numerical methods are proposed in order to finely study the concrete-steel bond behavior, but these methods give many difficulties in computing complex structures in 3D. With the results obtained in the thesis framework of Torre-Casanova (2012), the new concrete-steel bond model has been developed to improve performances (iteration numbers and computational time) and the representation (cyclic behavior) of the initial one. The new model has been verified with analytical solution of steel-concrete tie and validated with the experimental results and equally tested with the structural scale to compute the shear wall behavior. Because of the numerical difficulty in post-processing the crack opening in the complex crack formation, a new crack opening method is also developed. Finally, the cyclic behavior of the bond law with the non-reduced envelope is adopted and integrated in the new bond model in order to take into account the slip irreversibility and the hysteresis during the cyclic load. The application of the model is carried out on a steel-concrete tie and a shear-wall.