Dans le contexte du développement durable, la fissuration des structures en béton armé est devenue un sujet d'étude central. Deux niveaux d'analyse de la durabilité d'un ouvrage apparaissent : l'échelle de la structure et l'échelle de la fissure. A l'échelle de la structure, les modèles à éléments finis basés sur la mécanique de l'endommagement peuvent être utilisés. Cependant, l'utilisation de ces modèles nécessite l'introduction d'une longueur caractéristique afin de prévenir la dépendance au maillage. Or l'introduction de cette longueur caractéristique empêche l'étude fine de la fissuration. A l'échelle de la fissure, la discontinuité peut être décrite de manière explicite à l'aide d'un modèle à éléments discrets. Grâce à ces modèles, les principaux mécanismes de dégradation du béton sont reproduits. Mais, l'étude d'ouvrages industriels en béton n'est pas possible à cause de la finesse de maillage nécessaire à l'étude de la fissuration. Dans ce travail, une méthode de couplage non-intrusive est proposée. A l'échelle globale, un modèle à éléments finis basé sur la mécanique de l'endommagement est utilisé. Les zones d'intérêt -- c'est-à-dire les zones de concentration d'endommagement -- sont analysées à l'échelle locale à l'aide d'un modèle à éléments discrets. Les résultats numériques obtenus à l'aide de la stratégie proposée sont comparés à des résultats expérimentaux afin de valider la méthode. Plusieurs cas tests sont étudiés afin de montrer les capacités de l'approche à modéliser la propagation des fissures pour une structure en béton sous chargement. Des problèmes spécifiques au béton comme l'effet d'échelle, l'impact des armatures ou l'effet 3D sont adressés. / In the context of sustainable development, the study of cracking of large concrete structures has become of primary importance. Two levels of analysis appear: the structure scale and the crack scale. At the structural level, non-linear finite element analyses based on continuum damage mechanics can be carried out. Nevertheless, the use of such models requires the introduction of a characteristic length to prevent the occurrence of spurious mesh dependency in case of strain softening. This characteristic length tends to smooth the discontinuity and thus makes the study of the cracks harder. At the crack level, an explicit description of the crack can be achieved using discrete element methods. This way, the main failure mechanisms of quasi-brittle materials are recovered. But the mesh density required for such modeling is nevertheless prohibitive to treat a whole industrial structure. A non-intrusive technique is proposed, allowing the use of finite element models at a global scale and a decoupled local analysis of some interesting areas, i.e. around cracks, for which a discrete element model is used. Numerical results obtained from the proposed strategy are compared with experimental results and show the applicability of the approach. Several test cases are studied proving the capability of the approach to model the cracks propagation of loaded concrete structures. Specific concrete problems such as scale effect, 3D effect or rebars impact are addressed.

Lorsqu’une pièce mécanique est soumise à une sollicitation mécanique répétée dans le temps, elle risque de s’endommager après un certain nombre de cycles d’utilisation par amorçage de plusieurs fissures et propagation d’une fissure principale. C’est le phénomène d’endommagement par fatigue. La thèse traite plus particulièrement du possible endommagement de certains composants de centrales nucléaires par fatigue thermique. Contrairement à l’endommagement classique en fatigue mécanique où une fissure principale vient rompre la pièce, l’endommagement par fatigue thermique se traduit généralement par l’apparition d’un réseau de fissures surfaciques. Deux aspects sont traités dans la thèse. Le premier est l’étude expérimentale de la phase de fissuration multiple ou multifissuration en fatigue. Pour cela deux campagnes d’essais avec détection de la multifissuration par corrélation d’images numériques ont été menées. Ces campagnes concernent des chargements mécaniques uniaxiaux et équibiaxiaux de traction/compression sans contrainte moyenne. Ce travail a permis de suivre et d’observer l’évolution de différents réseaux de fissures à travers des sollicitations de type mécanique. Le second est la simulation numérique du phénomène d’endommagement en fatigue mécanique et thermique. Plusieurs types de modélisation sont utilisés (stochastique, probabiliste, éléments finis cohésifs). Les résultats expérimentaux ont permis d’identifier une loi d’amorçage multiple en fatigue et sont également confrontés aux résultats numériques. Cette confrontation permet notamment de montrer la pertinence de l’utilisation d’un modèle probabiliste analytique afin de retrouver des résultats statistiques sur la densité de fissures qui peuvent être amorcées en fatigue thermique et mécanique. / When a mechanical part is subjected to a repeated mechanical stress, it may be damaged after a number of cycles by several crack initiations and the propagation of a main crack. This is the phenomenon of fatigue damage. The thesis specifically deals with possible damage in some components of nuclear plants due to thermal fatigue. Unlike conventional mechanical fatigue damage where a main crack develops in the part, thermal fatigue damage usually results in the appearance of a network of cracks on its surface. Two aspects are discussed in the thesis. The first is the experimental study of fatigue multiple cracking stage. Two mechanical test campaigns with multicracking detection by digital image correlation were conducted. They involve uniaxial and equibiaxial mechanical loads in tension/compression with no mean stress. This work allows the evolution of different networks of cracks to be monitored and quantified through mechanical loadings. The second is the numerical simulation of the phenomenon of fatigue damage. Three types of models are used (i.e., stochastic, probabilistic, and cohesive elements). The experimental results have led to the identification of a multiple crack initiation law in fatigue, which is compared with the numerical results. This comparison shows the relevance of the use of an analytical probabilistic model to obtain statistical results on the density of cracks that can be initiated with thermal and mechanical fatigue loadings.

Les Bétons Fibrés à Ultra hautes Performances (BFUP) se caractérisent par une résistance en compression bien supérieure à celle des BTHP couverts par la normalisation, une excellente durabilité et l'emploi d'un assez fort taux de fibres métalliques modifiant le recours habituel aux armatures. Ils sont notamment marqués par une résistance à la traction élevée. Cependant, selon le pourcentage volumique et le(s) type(s) de fibres initialement prévus dans la formulation et l’orientation réelle des fibres dans la structure vis-à-vis des directions principales de traction, leur comportement en traction peut être adoucissant ou écrouissant. Ces deux comportements nécessitent une approche différente pour assurer la sécurité du dimensionnement. Dans un premier temps, des méthodes de caractérisation du comportement en traction des BFUP ont été mises au point de manière à déterminer quel comportement va se mettre en place pour un BFUP et un élément structurel donné, en s’appuyant sur l’essai de flexion quatre points réalisé sur éprouvette non-entaillée. Cet essai nécessite l’utilisation d’une analyse inverse afin d’obtenir la loi de comportement « contrainte-déformation » (dans le cas d’un BFUP écrouissant en traction directe) ou « contrainte-ouverture de fissure » (dans le cas d’un BFUP adoucissant en traction directe). La configuration de l’essai de flexion quatre points pouvant entraîner des artefacts, elle nécessite un raccordement avec l’essai de traction directe. Pour valider ce raccordement, une méthode d’essai permettant de tester des corps d’épreuve de dimensions identiques en flexion et en traction directe a été mise au point. Les résultats de l’analyse inverse des essais de flexion ont été comparés à ceux des essais de traction directe. La comparaison a notamment permis de démontrer la robustesse des méthodes d’analyse proposées en particulier vis-à-vis de la cohérence de la discrimination écrouissant/adoucissant à partir du relevé de fissures sur chaque éprouvette. Dans un second temps, des méthodes de calcul adaptées à une approche type « contrainte – ouverture de fissure » ou « contrainte – déformation » ont été testées ou développées afin de prédire la résistance ou le comportement des poutres en BFUP soumises à des sollicitations concomitantes de flexion et d’effort tranchant. Cette configuration de sollicitation fait en effet intervenir de façon critique le comportement en traction du matériau. Pour valider ces méthodes de calculs, onze poutres en BFUP armé ou précontraint, avec ou sans armatures transversales et avec ou sans fibres (métalliques ou organiques) ont été testées sous une configuration de flexion conduisant à une rupture par effort tranchant. La caractérisation simultanée du comportement mécanique des BFUP à l’échelle du matériau en prenant en compte l’orientation réelle des fibres au sein des poutres, qui constitue une originalité de ce programme, s’est avérée particulièrement importante pour constater l’interaction entre le matériau, la géométrie de la structure et le procédé de mise en œuvre du BFUP sur l’orientation des fibres. Les méthodes d’analyse des essais de flexion quatre points mises au point ont permis d’évaluer quantitativement l’influence de la structure sur les paramètres caractérisant le comportement en traction du BFUP, notamment la déformation correspondant à la localisation de la fissure et marquant la fin du comportement global « pseudo-plastique ». Les conditions de synergie d’éventuelles armatures transversales et du BFUP vis-à-vis de la résistance à l’effort tranchant, ont pu être mises en évidence. Pour étendre l’analyse, la capacité de l’approche en « contrainte – ouverture de fissure » à prédire la résistance de poutres soumises à des sollicitations concomitantes de flexion et d’effort tranchant a été testée. L’approche en « contrainte – déformation » a également été appliquée, contribuant au développement et à la validation de méthodes élastoplastiques adaptées aux BFUP / Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) are characterized by a compressive strength much higher than Very High Performance Concrete (VHPC) currently considered by standardisation, an excellent durability and the use of relatively high content of fibers. In particular, their tensile strength is quite important. Nevertheless, depending on fibers ratio and fibers types forecasted in the initial mix design and the real orientation of fibers in the structure compared with the main tensile directions, UHPFRC can exhibit either strain-softening or strain-hardening tensile behaviour. Each considered behaviour needs specific approaches in order to ensure a safe design. In a first time, characterization methods of UHPFRC tensile behaviour have been developed in order to determine which type of behaviour will occur considering a given UHPFRC and structure. These methods are based on the four point bending test. An inverse analysis of the results of this experimental method permits to deduce the “stress – strain” relationship (in the case of hardening UHPFRC) or “stress – crack opening” relationship (in the case of softening UHPFRC). The results depend on assumptions assumed during the inverse analysis. Thus, we have developed analysis methods which minimize the number of hypothesis in order to predict the most realistic behaviour law. The four point bending test configuration can involve artefacts. A comparison with direct tensile test is then necessary. In order to conduct this comparison, a direct tensile test method has been developed. It permits to use specimens with the same cross-section for direct traction and for the four point bending configuration. The results obtained from four point bending tests associated with the inverse analysis have been compared to those obtained with direct tensile tests. This comparison has been achieved using results of an experimental campaign considering different specimens sizes and two UHPFRC. Such comparison allows to highlight the effectiveness of the proposed method and particularly, its capability to deduce a strain-hardening or strain-softening behaviour of the material from observed crack patterns. In a second time, calculation methods adapted for « stress – crack opening » or « stress – strain » approaches have been tested or developed in order to predict the ultimate capacity or behaviour of UHPFRC beams submitted to a coupled shear and bending loading. Indeed, for this loading configuration, the tensile behaviour of the material is a main parameter. In order to validate the proposed calculation methods, eleven beams made of reinforced or prestressed UHPFRC, with or without stirrups and with or without fibers (metalics organics) have been tested in bending conducting to shear failure. The concomitant characterization of the UHPFRC mechanical behaviour at the “material scale”, taking into account the real orientation of fibers within the beams, constitutes an originality of this program. It has been useful to analyze the interaction between material, structure configuration and casting method on the orientation of fibers. Moreover, developed analysis methods of four point bending tests have been used to evaluate the influence of the structure (real orientation of fibres, influence of an eventual prestress or the structure configuration) on the parameters characterizing the tensile behaviour of the UHPFRC, in particular the strain corresponding to the localization of a critical crack. The conditions of additional contribution of UHPFRC and eventual stirrups in the shear capacity of the beam have been described. In order to extend the analysis, the approach based on the “stress – crack opening” relationship has been tested in order to predict the shear capacity of beams. The approach based on “stress – strain” relationship has also been applied, participating to the development and the validation of elastoplastic methods adapted to UHPFRC