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.

Ces travaux portent sur la réparation et le renforcement de structures béton armé par matériaux composite. Dans ce domaine, la solution de type carbone-époxy appliqué sur les faces extérieures des structures occupe une place prépondérante, mais reste perfectible. L'objectif principal de cette thèse est de proposer des solutions alternatives à ces matériaux, tels que les composites de type textile-mortier (Textile Reinforced Concrete, " TRC ") et d'en juger la faisabilité, les performances et le comportement. Une approche expérimentale et analytique, aux échelles micro, méso et macroscopiques, est menée en s'appuyant notamment sur la technique de mesure de champs de déplacements par corrélation d'images. À l'égard de l'étude du matériau, une procédure d'essai de caractérisation en traction directe des TRC a été conçue et validée. La conduite de 98 essais par cette procédure, a permis de mieux appréhender le comportement de ces composites, notamment l'articulation entre les mécanismes locaux et leur traduction à l'échelle macroscopique. Les principaux leviers permettant l'optimisation des TRC ont ainsi été déterminés. À l'échelle structurelle, l'étude de 11 poutres réparées vis-à-vis de l'effort tranchant, par collage de plats préfabriqués ou moulage à même la poutre, a été conduite. Il en ressort que les solutions TRC se comparent favorablement à celles de type carbone-époxy. Aussi, le comportement local a été finement évalué, notamment, l'évolution des efforts repris par le renfort TRC ainsi que la validité du modèle analytique du treillis. Un comportement de type multifissurant ou pull-out du TRC sensible à son procédé de mise en oeuvre a également été mis en avant

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'efficacité de la technique NSM dans la réparation et renforcement des structures est fortement dépendante de la performance d’adhérence entre les joncs de carbone et le béton. De nombreuses études récentes ont été réalisées pour quantifier d’adhérence sur des éprouvettes saines en raison de la complexité de ce problème. Par contre, le comportement des éléments réparés peut être affecté, d’une part, selon les conditions de pré-chargement, et d’autre part, selon l’endommagement spécifique, qui pourraient être rencontrés dans les structures existantes. En effet, un endommagement dans le béton ou dans les armatures peut modifier le comportement global des éléments réparés en réduisant la capacité portante.Tout d’abord, des essais à grande échelle en flexion ont été réalisés pour étudier le comportement des poutres en béton armé. D’une part, différents types d’endommagements ont été considérés tels que la corrosion des aciers et les charges excessives. D’autre part, différentes conditions de pré-chargement incluant les maintiens du chargement à l’heure de la mise en oeuvre de la réparation ont été étudiées. Le comportement de la poutre témoin renforcée se distingue par son côté fragile qui s’accompagne d’une ruine soudaine par pull-out du jonc de carbone de la résine suivie d’éclatement de morceaux de béton dans la zone de béton d’enrobage et d’un écrasement du béton comprimé. Par contre, la ruine de la poutre corrodée et réparée intervient par séparation (délamination) du béton d’enrobage dans la zone tendue au niveau à l’insertion du jonc de carbone, qui a commencé entre deux fissures de flexion dans la zone centrale et s’est propagé vers l’appui. Ensuite, afin de comprendre l’origine du mode de ruine de la poutre corrodée et réparée, et d'étudier le comportement global, la rigidité, la ductilité, le mode de ruine, et la capacité portante, des essais expérimentaux ont été réalisés en faisant varier les paramètres relatifs aux conséquences de la corrosion (perte généralisée de la section d’acier tendu, éclatement du béton d’enrobage, détérioration de l’adhérence acier-béton). Cependant, la ruine par la séparation du béton d’enrobage entre deux fissures adjacentes observé sur la poutre corrodée et réparée n’a jamais été obtenue. Pour nos simulations : La ruine a eu lieu par Pull-out du jonc de carbone. Dans tous les cas, la capacité portante mesurée des poutres endommagées puis réparées était supérieure à celle de la poutre témoin (non-renforcée)Finalement, puisque les structures nécessitant de la réparation par application de matériaux composites ne sont pas de récentes, et par conséquent, qui ont déjà subi un certain nombre d’endommagements dus aux contraintes mécaniques (surcharge maintenue à long-terme, charge accidentelle à court-terme), une partie expérimentale s’est intéressée à l'utilisation des joncs de carbone pour la réparation des éléments endommagés par une charge excessive, puis réparés sous ou sans charge maintenue. Un endommagement est capable de réduire légèrement la capacité portante des poutres réparées (moins de 8% par rapport à la poutre témoin renforcée). La réparation des poutres sous charge maintenue a une influence non-significative en diminuant la capacité portante entre 5% et 6% par rapport aux poutres endommagées réparées sans charge maintenue. La ruine des poutres pré-chargées puis réparées a été par l’arrachement du jonc de carbone de la résine « Pull-out » à cause des fissures longitudinales développées dans la résine qui conduit à la perte d'adhérence entre le jonc de carbone et le matériau de scellement en réduisant légèrement leur capacité portante. Par contre, les poutres endommagées par chargement excessif puis réparées ont montré un mode de ruine différent (par écrasement du béton comprimé) mais avec une réduction significative leur capacité portante / The effectiveness of the NSM technique for repairing or strengthening the RC structures is highly dependent on the bond strength behavior between CFRP rods and concrete. Many recent studies have been conducted to evaluate bond strength on undamaged concrete specimens because of the complexity of this problem. On the contrary, the behavior of repaired specimens may be affected, first, by pre-loading conditions, and the other, depending on specific damage that could be encountered in the existing structures. Indeed, damage in concrete or in reinforcement can change the global behavior of repaired elements by reducing the bearing capacity.First, large-scale bending tests were carried out to study the behavior of reinforced concrete beams. On the one hand, various types of damage were considered such as the steel corrosion and excessive loads. On the one hand, different pre-loading conditions including sustaining loads at the time of implementation repair were studied. The behavior of the beam strengthened control is distinguished by its fragile side which is accompanied by sudden failure due to pull-out of the CFRP NSM rod, followed by splitting of concrete pieces in the concrete cover and a crushing of concrete in compressive zone. On the other hand, the failure mode of corroded repaired beam occurred by concrete cover delamination in the tension zone at the level of insertion of CFRP NSM rod that started between two bending cracks in the central area and has spread to the support. Then, in order to understand the origin of the failure mode, global behavior, stiffness, ductility, and bearing capacity of repaired corroded beam, an experimental tests were performed by varying the parameters relating to the consequences of corrosion (such as generalized loss of bottom steel section, concrete cover delamination failure and bond strength failure between concrete and reinforcing steel). However, the failure occurred by the concrete cover delamination between two adjacent bending cracks was never obtained on the repaired corroded beam. For our simulations: The failure was due to pull-out of CFRP rod. In all cases, the bearing capacity measured for repaired damaged beams was greater than that of control beam (non-repaired).Finally, since the structures requiring repair by applying composite materials are not recent, and consequently, number of damages occurred due to mechanical stress (long-term sustained overloading, short term accidental load), an experimental part was interested in the use of CFRP NSM rods to repair of beams damaged by excessive load, and then repaired under or without sustained load. A damage can slightly reduce the bearing capacity of the repaired beams (less than 8% compared to the strengthened control beam). The repair of beams under sustained load has a non-significant effect by reducing the bearing capacity between 5% and 6% compared to the damaged beams repaired without sustained load. The damages of the pre-loaded RC beams repaired with NSM failed by the tearing of the carbon rod "pull-out" due to the longitudinal cracks developed in the epoxy resin volume, which leads to loss of adhesion between the CFRP rod and the sealing material by slightly reducing their bearing capacity. While, the RC beams damaged by overloading which were repaired showed a different mode of failure (crushing of concrete in compression) with also a significant reduction in their ultimate bearing capacity values

Cette thèse s’intéresse à l’étude l’effet de la corrosion sur les propriétés mécaniques des armatures corrodées et les performances mécaniques résiduelles des poutres corrodées. L’étude est basée sur deux poutres corrodées notées B2CL2 et B2CL3, conservées respectivement 26 ans et 28 ans en ambiance saline. Deux poutres non corrodées B2T2 et B2T3 conservées en conditions ambiantes ont également été testés afin d’identifier l'effet de la corrosion indépendamment du vieillissement.Les propriétés mécaniques des armatures corrodées ont été étudiées par des essais de traction.La limite d'élasticité et résistance à la rupture ont été étudiées sur la base de la section transversale résiduelle évaluée par perte de masse. Les résultats ont montré que les effets de la corrosion sur la diminution ductilité étaient très importants. La forme de la section transversale résiduelle apparait comme étant un paramètre essentiel affectant la ductilité de l'armature.Les performances résiduelles en flexion des poutres corrodées ont été étudiées. Les résultats montrent que la corrosion réduit la capacité portante et de façon plus significative, la flèche maximale à rupture en raison d’un changement de mode de rupture. La diminution de la charge de plasticité apparait en relation avec la perte de section d’acier tendu due à la corrosion Des poutres de portées courtes ont été réalisées à partir des poutres corrodées après les essais de flexion. Les tests mécaniques ont été effectués en flexion pour vérifier la réponse des poutres courtes corrodées. Les poutres courtes corrodées ont péri en flexion avec une bonne ductilité tandis que les poutres courtes non corrodées ont péri comme prévu en cisaillement suivant un mode de rupture fragile, qui a montré que la corrosion de l'armature pouvait modifier les modes de défaillance.Les produits de corrosion ont été recueillis à partir de l'armature corrodée de B2Cl3. Des expériences XRD et TG ont été menées afin d'identifier la composition des produits de corrosion. Le coefficient d'expansion des produits de corrosion a été déduit, ce qui pourrait être utile pour les recherches futures concernant le mécanisme de fissuration du béton d'enrobage. / The thesis aims to study the influence of chloride corrosion on the mechanical properties ofthe reinforcement and RC beams. The experiments were based on two corroded beams named B2Cl2 and B2Cl3, with a corroded age of 26 years and 28 years respectively. Two noncorroded beams B2T2 and B2T3 which were cast in the same condition and same time were also tested in order to make clear the corrosion effect.The mechanical properties of the corroded reinforcement were investigated by the tensiontests. The yield strength and ultimate strength were studied based on the residual gravimetrical cross-section. The results found that the impact of corrosion on the ductility was more significant than that of the strength. The shape of residual cross-section was considered to be in deep relationships with the ductility of the reinforcement.The flexural performances of the beams were studied. The results showed that the corrosion deteriorated the capacity and the ductility of the corroded beams. The corrosion degree of reinforcement was found in linear with the residual yield capacity of the corroded beams.The short-span beams were formed from the corroded beams after bending tests. Mechanical tests were carried out directly to check the response of the corroded beams. The corroded short-span beams failed in bending mode with good ductility while the non-corroded beams performed a brittle shear failure mode, which showed that the corrosion of reinforcement could change the failure modes.The corrosion products were collected from the corroded reinforcement of B2Cl3. XRD andTG experiments were conducted so as to identify the composition of the corrosion products.The expansive coefficient of the corrosion products was deduced, which could be helpful forthe further research on the cracking mechanism of the concrete cover

La méconnaissance de la géométrie réelle d'une structure mène à une évaluation incorrecte de son état. Par conséquent, une estimation imprécise de sa capacité portante, sa durabilité, sa stabilité et la nécessité de mettre en place une réparation ou un renforcement. En outre, l'optimisation du temps requis pour le processus de réparation a besoin de bien connaître les différentes parties de la structure à évaluer et également pour éviter les zones critiques telles que les aciers, les câbles, etc., lors de la réparation. Par conséquent, il est nécessaire d'utiliser des techniques d'évaluation non destructive (END) afin de connaître la géométrie réelle de la structure, notamment l'emplacement des armatures dans les structures en béton armé. Le GPR est considéré comme une technique non-destructive idéale pour détecter et localiser les renforts. Cependant, sa précision de localisation est limitée. Le but de ce projet de recherche a donc été d'accroître la précision du GPR en matière de reconnaissance géométrique interne de structures en béton armé. L'objectif principal de cette étude est de localiser précisément le positionnement des armatures dans le plan ausculté ainsi qu'en profondeur. Pour atteindre cet objectif, une nouvelle méthodologie de mesures et du traitement des signaux GPR a été proposée dans cette étude. Plusieurs configurations d'acquisition de données en utilisant des signaux simulés sont testées pour proposer et développer un algorithme d'imagerie du milieu de propagation afin de définir sa géométrie interne et de localiser précisément les barres de renforcement. Des traitements supplémentaires sont appliqués pour améliorer la précision de la détection et pour identifier les différentes interfaces dans le milieu testé. L'algorithme et le traitement sont appliqués aux signaux simulés. Des validations expérimentales ont ensuite été appliquées aux signaux réels acquis sur différentes dalles en béton armé. L'objectif est de tester la capacité de l'algorithme d'imagerie proposé pour localiser différents objets enfouis. Les résultats encourageants montrent que cet algorithme est capable d'estimer la position de différents objets enfouis et pas uniquement les armatures avec une erreur d'estimation de (0-1) mm. Les performances de l'algorithme ont été comparées à celles d'une méthode de migration et aux résultats de mesure obtenus avec un pachomètre. Ces comparaisons ont systématiquement révélé une meilleure précision de la localisation avec l'algorithme développé.Une autre étude a été proposée dans ce travail en testant l'algorithme avec des signaux réels modifiés. Ces signaux sont produits en réduisant le gain le moins possible. La conclusion la plus évidente de cette étude est que l'algorithme proposé est capable de localiser les différents objets même si les signaux réfléchis par eux sont de faible amplitude. / Lack of acquaintance in the real geometry of a structure leads to incorrect evaluation of its state. Consequently, this will lead to inaccurate estimation of bearing capacity, durability, stability and moreover, the need for repair or strengthening. Furthermore, optimization of the required time for repair process needs to well recognize the parts of structure to be assessed and also to avoid the critical zones such as reinforcing bars, cables, etc., during repairing. Therefore; it becomes necessary to use a non-destructive testing (NDT) method in order to know the real geometry of structure in particular, the location of reinforcements in reinforced concrete structures. GPR is considered as an ideal non-invasive technique in detecting and locating these reinforcements. However, its accuracy in localization is limited. The aim of this research project has therefore been to increase the accuracy of GPR in recognizing the internal geometry of reinforced concrete structures. The main objective of this study is to locate accurately the position of reinforcements into three dimensions. To achieve this purpose, a new methodology for GPR measurement and processing is proposed in this study.Several configurations of data acquisition using simulated signals are tested to propose and develop an appropriate imaging algorithm for the propagation medium to imagine its internal geometry and to locate accurately the reinforcing bars. Further processing are applied to improve the accuracy of detection and to identify the different interfaces in the tested medium. Both algorithm and processing are applied on simulated signals. Subsequent experimental validations have been applied using real signals acquired from different real reinforced concrete slabs. The goal is to test the ability of proposed imaging algorithm for the localization of different targets. The encouraging results indicate that this algorithm is able to estimate the position of different buried targets and not only the reinforcing bars with an estimation error of (0-1)mm.The performance of proposed algorithm has compared to those of migration method and to the results obtained from pachometer. These comparisons have systematically revealed a better localization accuracy using the developed algorithm.Another study has been proposed in this work by testing the algorithm using modified real signals. These signals are produced by reducing the gain as less as possible. The most obvious finding to emerge from this study is that the proposed algorithm is able to localize the different goals even if the signals reflected by them are of low amplitude.

En ingénierie sismique, il est admis que le comportement d’une structure soumise à de forts séismes soit caractérisé par des boucles d’hystérésis qui peuvent être amples ou étroites selon le type de structure impactée. La prise en compte de ce type de comportement non-linéaire dans un calcul temporel présente des difficultés liées à l’identification des paramètres, au coût numérique élevé, au risque de non-convergence. Dans ce contexte, la méthode de linéarisation équivalente, a été introduite en géotechnique dès les années 70. Elle reste peu utilisée dans le domaine des structures malgré les efforts de nombreux auteurs. Ce travail de thèse a pour objet l’étude du comportement linéaire équivalent dans le contexte des méthodes simplifiées d'évaluation de la réponse non-linéaire d'une structure en ingénierie sismique. Nous passons en revue les critères de linéarisation adoptés par les différentes méthodes qui recherchent l’équivalence (1) du déplacement maximum ou (2) de la quantité d’énergie dissipée ou (3) de la force de rappel. Nos analyses montrent que ces trois critères ne sont pas pertinents et/ou efficaces, conduisant à des méthodes peu robustes qui conduisent dans certains cas à des résultats inexplicables. Nous montrons le rôle important, négligé par toutes les méthodes disponibles, du contenu fréquentiel respectif des signaux et du système dans la détermination de la ductilité appelée. Sur cette constatation, nous introduisons une nouvelle méthode de linéarisation équivalente basée sur la fonction de transfert. Nous utilisons cette méthode pour explorer un plan d’expérience numérique dans lequel nous calculons les caractéristiques de fréquence et d’amortissement équivalents en fonction de la ductilité appelée pour différente configurations caractérisées par (a) le rapport entre fréquence de l’oscillateur et fréquence centrale du signal excitateur, (b) la pente d’écrouissage et (c) le modèle de comportement qui varie continument de élastoplastique à endommageant. Nous proposons deux nouvelles approches du comportement linéaire équivalent. La première, visant à améliorer la procédure statique non-linéaire de l’ATC40, utilise la rigidité sécante et le déplacement maximal. Elle fait intervenir une estimation de l’amortissement différente de celle de l’ATC40. Sa pertinence est établie par le fait qu’elle permet d’évaluer avec exactitude le déplacement maximal de systèmes canoniques non-linéaires. La seconde consiste à restituer la dynamique de la réponse d'un oscillateur non-linéaire au travers de la fonction de transfert. Sa pertinence est démontrée au travers des critères d’Anderson, avec notamment un critère relatif au spectre transféré. La détermination du comportement linéaire équivalent par fonction de transfert est validée sur des structures réelles au travers des essais sur voiles en béton armé (SAFE) et sur systèmes des tuyauteries (BARC et EPRI) / In earthquake engineering, it is common that the behaviour of a structure undergoing a strong motion is characterized by wise or narrow hysteresis loops depending on the type of behaviour of the structure. Considering this non-linear behaviour in a transient calculation requires a huge need of resources in terms of calculation time and memory. In this context, the method of equivalent linearization, consisting in the evaluation of the non-linear response of the structure has been introduced by geotechnical engineers In the 1970s. Despite efforts of many authors, this method is still not used in structural field. The goal of this research is to examine the linear equivalent behaviour in the context of the simplified method of evaluating the non-linear response of a structure in earthquake engineering. We review the criteria of equivalence adopted by many methods searching for the equivalence of (1) the maximum of displacement or (2) quantity of dissipated energy or (3) the restore force. Our argumentative analyses carry out that these three criteria are not pertinent and/or efficient. This leads, in some cases, to some unexplained results. We show the important role, which is mostly neglected in existing method, of frequency content while evaluating the ductile demand. Based on this recognition, we introduce a new method of equivalent linearization based on the transfer function. We use this method in order to explore a numerical experimental plan in which we calculate the equivalent characteristics (frequency and damping) versus the ductile demand for different configuration characterized by (a) the ratio between the frequency of the oscillator and the central frequency of the input signal, (b) the hardening and (c) the behaviour which covers the elastoplastic and damaged ones. We propose two new approaches of the linear equivalent behaviour. The first one, aiming to improve the non-linear static procedure of ATC40, use the secant stiffness and the maximal displacement. This approach consists in an estimation of damping which is different to ATC40. Its pertinence is established by evaluating with accuracy the maximal displacement of the canonical non-linear systems. The second approach consists in restitution of the dynamic of the response of a non-linear oscillator by using the transfer function. The pertinence of this proposition is shown through the criteria of Anderson, especially in terms of transferred motion. In this effect, the linear equivalent behaviour based on the transfer function allows to cope the transferred motion through the non-linear oscillator without performing the non-linear transient calculation. The validation of the linear equivalent behaviour based on the transfer function has been examined on real structures through some experimental tests such as the reinforced concrete wall (SAFE) or piping systems (BARC and EPRI)

Modélisations simplifiées pour l’analyse du risque sismique de bâtiments en béton armé. Résumé de la thèse en français (1800 signes max.) : La thèse s’inscrit dans le cadre du projet MARS (Méthodes Avancées pour le Risque Sismique, EDF R&D). Elle concerne plus particulièrement certaines tâches sur le développement des méthodes simplifiées et robustes de calcul pour permettre la simulation intensive et table de la réponse sismique de bâtiments en béton armé. En effet, |’analyse de risque nécessite un très grand nombre de calculs pour tenir compte des incertitudes, tant sur le chargement (aléa sismique) que sur le comportement non linéaire des structures. Dans la première partie de ce travail, nous effectuerons une étude bibliographique sur les modèles de résolution sismique pour les bâtiments en béton armé. Cette étape va nous permettre de rassembler le maximum d’éléments nécessaires permettant de comprendre et d’identifier tous les paramètres, les avantages, les inconvénients et la limite d’utilisation de chaque procédure de calcul numérique par éléments finis. Dans la deuxième partie, on développe un macro-élément de poteau-poutre, associé â un modèle de comportement non linéaire afin de traduire la réponse de la structure sous les sollicitations sismiques. Des hypothèses cinématiques ont été adoptées pour limiter le nombre de degrés de liberté. La loi de comportement globale en cisaillement est décrite dans le cadre delà plasticité. Nous avons choisi un modèle à écrouissage cinématique pour prendre en compte la dissipation due à la fissuration. Les paramètres sont identifiés à partir de résultats expérimentaux ou bien pré-calculés par des analyses â une échelle locale (calculs 3D par éléments finis ou calcul simplifié type « Modified Compression Field Theory >>). Des analyses numériques ont été réalisées afin de valider le modèle proposé comparant à des essais expérimentaux disponibles dans la littérature. / This PhD is part of the MARS project (Advanced Methods for Seismic Risk, EDF R&D). It relates particularity to the development of simplified and robust calculation. The overall aim is to significantly reduce the intensive computation time without loosing a reliable simulation of the seismic response of reinforced concrete buildings methods. Seismic risk analysis requires a very large number of repeated calculations to account for uncertainties of both the loading (seismichazard) and the nonlinear behaviour of structures. ln the first part of this work, a bibliographic study on seismic resolution models for reinforced concrete buildings is provided. This step allows collecting the maximum of necessary elements to understand and identify all the parameters, advantages, disadvantages and limits of use of each finite element calculation method. In the second part, a macro—elements for beam—column joint associated to a nonlinear behavior to reflect the response to the structure under seismic loads ls developed. Kinematic assumptions have been adopted to limit the number of degrees of freedom. The law of global shear behavior is described in the context of plasticity. A model with kinematic hardening is chosen to account for the dissipation due to cracking. Model parameters are identified from experimental results or pre-calculated by analysis on a local scale vla 3D finite element calculation or the implied "Modihed Compression Field Theory Numerical analyses were performed to validate the proposed approach against experimental tests available in the literature.

Dans une problématique d'analyse de la durabilité des structures en béton armé, la quantification de la localisation des déformations et des propriétés des fissures sont deux points clés. Ce travail présente une méthode permettant, dans le cadre de la mécanique des milieux continus, d'améliorer la description de l'évolution de la localisation des déformations. En se basant sur une approche continue du problème, l'évolution des nonlinéarités dans le béton est décrite au travers d'un modèle d'endommagement régularisé. Pour améliorer la description de la localisation des déformations, une modification de la méthode de régularisation nonlocale intégrale sur les variables internes est proposée. L'influence de l'état de contrainte sur les interactions nonlocales est introduite dans la régularisation, afin de prendre en compte la dégradation de la structure ainsi que l'influence des conditions aux limites sur les interactions nonlocales. Cette méthode, implantée dans le code aux éléments finis Cast3M, est validée sur différents cas tests analysant l'évolution des nonlinéarités de l'enclenchement de l'endommagement jusqu'à la rupture et permet notamment de résoudre des pathologies identifiées pour la méthode nonlocale originale. La comparaison avec des résultats expérimentaux montre également la capacité du modèle à décrire l'évolution de la fissuration dans une structure. Le modèle développé est ensuite utilisé pour analyser le comportement de structures en béton armé et sert de base pour introduire une description de la fissuration dans une modélisation simplifiée de type poutre multifibre. A partir de calcul 3D sur des éléments en béton armé utilisant le modèle développé, une loi uniaxiale est identifiée pour déterminer la fissuration dans une fibre en fonction de l'énergie dissipée par le modèle d'endommagement. Une comparaison avec des résultats expérimentaux est effectuée et montre la capacité de cette approche simplifiée à estimer la fissuration. / For the durability analysis of reinforced concrete structures, the modelling of strain localization and the estimation of cracking properties are hot topics. This work introduces a method allowing, in the framework of continuous mechanics, to improve the description of the evolution of strain localization. Based on a continuous description of the problem, the evolution of nonlinearities in concrete is described with a regularized damage model. In order to improve the description of strain localization, a modification of the nonlocal integral regularization method is proposed. The influence of the stress state on the nonlocal interactions is introduced in the regularization method, in order to take into account the degradation of the structure (decrease of the bearing capacities) as well as the influence of free boundary conditions. This method, implemented in the finite element code Cast3M, is validated against several cases of study, by analyzing the evolution of nonlinearities from damage initiation up to failure. It allows solving several pathologies pointed out for the original nonlocal method. The comparison with experimental results shows also the capacity of the proposed model to describe the evolution of cracking in a structure. Then, the model developed is used to analyse the behaviour of reinforced concrete structures and to develop a method to quantify cracking in a multifiber beam element modelling. From 3D calculation on reinforced concrete element with the new nonlocal model developed, a uniaxial law is identified in order to estimate cracking as a function of the energy dissipated by the damage model. A comparison with experimental data is performed and shows the potentiality of this simplified approach to estimate cracking.

Le béton est un matériau dont le comportement est complexe, notamment dans le cas de sollicitations extrêmes. L’objectif de cette thèse est de caractériser expérimentalement le comportement du béton lorsque celui-ci est soumis à des sollicitations générées par un impact (compression confinée et traction dynamique) ; et de développer un outil numérique robuste permettant de modéliser son comportement de manière fiable. Dans la partie expérimentale, on a étudié des échantillons de béton provenant du centre de VTT (Centre de recherche technique en Finlande). Dans un premier temps, des essais statiques de compression triaxiale dont le confinement varie de 0 MPa (compression simple) à 600 MPa ont été réalisés. On observe que, sous l’effet de confinement la rigidité du béton devient plus importante à cause de la réduction de la porosité. Par conséquent, la résistance maximale au cisaillement du béton est augmentée. La présence d’eau joue un rôle important lorsque le degré de saturation est élevé et le béton est soumis à un fort confinement. Au delà d’un certain seuil de confinement, la résistance maximale au cisaillement diminue avec l’augmentation de la teneur en eau. L’eau influence également le comportement volumique du béton. Lorsque tous les pores libres du béton sont fermés sous l’effet de la compaction, la faible compressibilité de l’eau s’oppose à la déformation du béton, de sorte que le béton humide est moins déformé que le béton sec pour une même contrainte moyenne. Le deuxième volet du programme expérimental concerne des essais de traction dynamique à différentes vitesses de chargement, et à différents états d’humidité du béton. Les résultats obtenus montrent que la résistance en traction du béton C50 peut augmenter jusqu’à 5 fois par rapport à sa résistance statique pour une vitesse de déformation de l’ordre de 100 s-1. Dans la partie numérique, on s’intéresse à développer le modèle de comportement du béton PRM couplé (Pontiroli-Rouquand-Mazars) capable de prédire le comportement du béton sous impact. Ce modèle repose sur un couplage entre un modèle d’endommagement capable de décrire des mécanismes de dégradation et de fissuration du béton à faible confinement et un modèle de plasticité permettant de simuler le comportement du béton sous très fort confinement. L’identification du modèle a été réalisée avec les résultats des essais expérimentaux. L’amélioration du modèle, notamment sur le modèle de plasticité, porte sur trois points principaux : prise en compte de l’effet de la contrainte déviatoire dans le calcul de la contrainte moyenne ; de l’effet de l’eau avec la loi poro-mécanique au lieu de la loi des mélanges ; amélioration de la variable de couplage entre le modèle d’endommagment et le modèle élastoplastique avec une prise en compte de l’angle de Lode. Ces améliorations ont ensuite été validées par une confrontation des résultats numériques obtenus et des essais de type impact qui démontrent la fiabilité de la prédiction du modèle. Le modèle amélioré est capable de reproduire le comportement du béton sous différents trajets de chargement et à différents niveaux de confinement tout en tenant compte du degré de saturation du béton. / Concrete is a material whose behavior is complex, especially in cases of extreme loads. The objective of this thesis is to carry out an experimental characterization of the behavior of concrete under impact-generated stresses (confined compression and dynamic traction) and to develop a robust numerical tool to reliably model this behavior. In the experimental part, we have studied concrete samples from the VTT center (Technical Research Center of Finland). At first, quasi-static triaxial compressions with the confinement varies from 0 MPa (unconfined compression test) to 600 MPa were realized. The stiffness of the concrete increases with confinement pressure because of the reduction of porosity. Therefore, the maximum shear strength of the concrete is increased. The presence of water plays an important role when the degree of saturation is high and the concrete is subjected to high confinement pressure. Beyond a certain level of confinement pressure, the maximum shear strength of concrete decreases with increasing water content. The effect of water also influences the volumic behavior of concrete. When all free pores are closed as a result of compaction, the low compressibility of the water prevents the deformation of the concrete, whereby the wet concrete is less deformed than the dry concrete for the same mean stress. The second part of the experimental program concerns dynamic tensile tests at different loading velocities, and different moisture conditions of concrete. The results show that the tensile strength of concrete C50 may increase up to 5 times compared to its static strength for a strain rate of about 100 s-1. In the numerical part, we are interested in improving an existing constitutive coupled model of concrete behavior called PRM (Pontiroli-Rouquand-Mazars) to predict the concrete behavior under impact. This model is based on a coupling between a damage model which is able to describe the degradation mechanisms and cracking of the concrete at weak confinement pressure and a plasticity model which allows to reproduce the concrete behavior under strong confinement pressure. The identification of the model was done using the results of experimental tests. The improvement of this model, especially the plasticity part, focuses on three main points : taking into account the effect of the deviatoric stress in the calculation of the mean stress; better accounting for the effect of water using poromechanical law instead of mixing law, improvement of the coupling variable between the damage model and the elastoplastic model with consideration of the Lode angle. These improvements were then validated by comparing numerical results and impact tests. The improved model is capable of reproducing the behavior of concrete under different loading paths and at different levels of confinement pressure while taking into account the degree of saturation of concrete.