Modelling of concrete internal swelling reactions with poro-chemo-mechanical complings

Les réactions de gonflements internes (RGI) sont des pathologies qui dégradent le béton de certains ouvrages tels que des barrages en étant à l'origine de gonflements. Electricité De France (EDF) doit assurer la sûreté des personnes et des biens situés à l'aval de ses structures. Ce travail a pour but d'améliorer la modélisation des phénomènes physiques liés à ces dégradations notamment l'interaction entre le produit gonflant et le squelette solide. La contrainte intraporeuse générée par la pression du produit peut créer un endommagement. Dans le modèle proposé, la fissuration peut avoir lieu à deux échelles : - Au niveau microscopique c'est le produit gonflant qui comble le volume libre autour du site de réaction avant de mettre en traction le matériau jusqu'à fissuration, ce qui provoque une baisse des caractéristiques du matériau (résistances en traction et en compression, module d'Young). Un critère de plasticité anisotrope et une loi d'écrouissage positif sont proposés pour modéliser ce phénomène. - Au niveau macroscopique, des gradients de gonflements peuvent se développer à l'intérieur d'ouvrages dont les états de contraintes et les conditions d'humidité et de température ne sont pas homogènes. Une fissuration localisée peut alors s'initier. Elle est la source de risques de dislocations des structures pouvant mener à leur ruine, de concentrations de contraintes dans les aciers structuraux, de chemins facilités pour les agents agressifs extérieurs et pour l'eau, composé essentiel au développement rapide de ces pathologies. La prise en compte des couplages hydro-poro-mécaniques est nécessaire à la simulation de ces phénomènes. Cette fissuration est modélisée par un critère plastique de Rankine anisotrope dont l'énergie dissipée par la fissuration est régularisée par la méthode d'Hillerborg. Après avoir présenté ce modèle, il est validé et appliqué à différentes échelles pour des états de contraintes et des conditions environnementales diverses, sur : - des éprouvettes soumises à des contraintes et des blocages multi-axiaux, - des poutres de laboratoire plus ou moins armées subissant des gradients d'humidité importants, - des barrages dans des conditions réelles construits dans les années 1950. Les résultats obtenus avec le modèle permettent de retrouver les déplacements, les contraintes et les résistances de ces structures après vieillissement. Pour les poutres atteintes de réaction alcali-silice, les résultats numériques obtenus montrent notamment une prise en compte réaliste des contraintes induites par la présence d'armatures, ce qui est confirmé par la validation du comportement à rupture. Néanmoins, des difficultés de calage subsistent pour les poutres subissant la réaction sulfatique interne. Elles sont issues des grandes amplitudes d'expansion et des couplages diffusion-fissuration qui rendent spécifique le comportement de ces structures par rapport à des structures subissant des expansions moins importantes. Ce modèle est un outil pour la requalification des ouvrages dans le but d'assurer leur sûreté. Il peut également servir de base de calcul à la simulation de diverses réhabilitations et travaux de confortements.Internal swelling reactions (ISR) damage the concrete of structures such as dams. Electricité De France (EDF) must ensure the safety of the people and goods located below the dam. This work aims to improve the modeling of the physical phenomena related to these damages, especially the interaction between the swelling product and the solid skeleton. The intraporous stress generated by the product pressure can create cracking, which, in the proposed model, can occur at two scales: - At a microscopic scale, the swelling product fills the gaps around the reaction site, which induces cracking and a decrease of the materials' characteristics (tensile and compression strengths, Young's modulus). Numerically, an anisotropic plastic criteria and a hardening law allow modelling this phenomenon. - At a macroscopic level, swelling gradients can develop inside concrete structures whose stress states and climatic conditions (humidity and temperature) are not homogeneous. A localized cracking can begin. It is a source of structure dislocation risks and stress concentrations in structural reinforcement. It may ease the way in for outside aggressive agents and water, an essential component for these reactions. Hydro-poro-mechanical couplings need to be taken into account when simulating these phenomena. The cracking is modelled by a Rankine plastic criterion whose dissipated energy is regularized by the Hillerborg's method. After presenting the model, several stress states and environmental conditions are applied to the model in order to validate it on: - samples under multi-axial stresses and restraints, - plain and reinforced beams submitted to moisture gradients in laboratory, - 1950s dams in real conditions. The results of the model make it possible to reproduce the displacements, the stresses and residual strength of these structures after aging. For the beams submitted to alkali aggregate reaction, the numerical results show a relevant prediction of the stress induced by reinforcement, confirmed by the failure behaviour. Nevertheless, the model encounters calibration difficulties for beams affected by delayed ettringite formation. They come from large swelling amplitude and diffusion-cracking coupling which are inherent to these structure behaviours. This model is a tool for concrete structure requalification in order to ensure their safety. It can also be a basis for diverse rehabilitations and reinforcement works simulation

Modélisation des réactions de gonflement interne des bétons avec prise en compte des couplages poro-mécaniques et chimiques

Internal swelling reactions (ISR) damage the concrete of structures such as dams. Electricité De France (EDF) must ensure the safety of the people and goods located below the dam. This work aims to improve the modeling of the physical phenomena related to these damages, especially the interaction between the swelling product and the solid skeleton. The intraporous stress generated by the product pressure can create cracking, which, in the proposed model, can occur at two scales: - At a microscopic scale, the swelling product fills the gaps around the reaction site, which induces cracking and a decrease of the materials' characteristics (tensile and compression strengths, Young's modulus). Numerically, an anisotropic plastic criteria and a hardening law allow modelling this phenomenon. - At a macroscopic level, swelling gradients can develop inside concrete structures whose stress states and climatic conditions (humidity and temperature) are not homogeneous. A localized cracking can begin. It is a source of structure dislocation risks and stress concentrations in structural reinforcement. It may ease the way in for outside aggressive agents and water, an essential component for these reactions. Hydro-poro-mechanical couplings need to be taken into account when simulating these phenomena. The cracking is modelled by a Rankine plastic criterion whose dissipated energy is regularized by the Hillerborg's method. After presenting the model, several stress states and environmental conditions are applied to the model in order to validate it on: - samples under multi-axial stresses and restraints, - plain and reinforced beams submitted to moisture gradients in laboratory, - 1950s dams in real conditions. The results of the model make it possible to reproduce the displacements, the stresses and residual strength of these structures after aging. For the beams submitted to alkali aggregate reaction, the numerical results show a relevant prediction of the stress induced by reinforcement, confirmed by the failure behaviour. Nevertheless, the model encounters calibration difficulties for beams affected by delayed ettringite formation. They come from large swelling amplitude and diffusion-cracking coupling which are inherent to these structure behaviours. This model is a tool for concrete structure requalification in order to ensure their safety. It can also be a basis for diverse rehabilitations and reinforcement works simulation.Les réactions de gonflements internes (RGI) sont des pathologies qui dégradent le béton de certains ouvrages tels que des barrages en étant à l'origine de gonflements. Electricité De France (EDF) doit assurer la sûreté des personnes et des biens situés à l'aval de ses structures. Ce travail a pour but d'améliorer la modélisation des phénomènes physiques liés à ces dégradations notamment l'interaction entre le produit gonflant et le squelette solide. La contrainte intraporeuse générée par la pression du produit peut créer un endommagement. Dans le modèle proposé, la fissuration peut avoir lieu à deux échelles : - Au niveau microscopique c'est le produit gonflant qui comble le volume libre autour du site de réaction avant de mettre en traction le matériau jusqu'à fissuration, ce qui provoque une baisse des caractéristiques du matériau (résistances en traction et en compression, module d'Young). Un critère de plasticité anisotrope et une loi d'écrouissage positif sont proposés pour modéliser ce phénomène. - Au niveau macroscopique, des gradients de gonflements peuvent se développer à l'intérieur d'ouvrages dont les états de contraintes et les conditions d'humidité et de température ne sont pas homogènes. Une fissuration localisée peut alors s'initier. Elle est la source de risques de dislocations des structures pouvant mener à leur ruine, de concentrations de contraintes dans les aciers structuraux, de chemins facilités pour les agents agressifs extérieurs et pour l'eau, composé essentiel au développement rapide de ces pathologies. La prise en compte des couplages hydro-poro-mécaniques est nécessaire à la simulation de ces phénomènes. Cette fissuration est modélisée par un critère plastique de Rankine anisotrope dont l'énergie dissipée par la fissuration est régularisée par la méthode d'Hillerborg. Après avoir présenté ce modèle, il est validé et appliqué à différentes échelles pour des états de contraintes et des conditions environnementales diverses, sur : - des éprouvettes soumises à des contraintes et des blocages multi-axiaux, - des poutres de laboratoire plus ou moins armées subissant des gradients d'humidité importants, - des barrages dans des conditions réelles construits dans les années 1950. Les résultats obtenus avec le modèle permettent de retrouver les déplacements, les contraintes et les résistances de ces structures après vieillissement. Pour les poutres atteintes de réaction alcali-silice, les résultats numériques obtenus montrent notamment une prise en compte réaliste des contraintes induites par la présence d'armatures, ce qui est confirmé par la validation du comportement à rupture. Néanmoins, des difficultés de calage subsistent pour les poutres subissant la réaction sulfatique interne. Elles sont issues des grandes amplitudes d'expansion et des couplages diffusion-fissuration qui rendent spécifique le comportement de ces structures par rapport à des structures subissant des expansions moins importantes. Ce modèle est un outil pour la requalification des ouvrages dans le but d'assurer leur sûreté. Il peut également servir de base de calcul à la simulation de diverses réhabilitations et travaux de confortements

Modelling the mechanical behaviour of concrete subjected to Alkali-Silica Reaction (ASR) under multi-axial stress

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Seismic assessment of masonry vaults by means of an advanced hybrid FEM-DEM modeling strategy

The current work presents a hybrid Finite Element Method and Discrete Element Method (FEM-DEM) strategy, which combines classical finite and discrete element methods in a common tool, and illustrates its capabilities in reproducing the real behavior of masonry during experimental quasi-static tests and seismic actions. The numerical implementation is available in the open-source LMGC90 code. In this hybrid approach, anisotropic damageable deformable blocks interact each other through contact joints governed by frictional cohesive behaviors. The DEM framework permits large displacements, rotations, and complete detachments of the blocks, which is usually neglected with FEM models. A comparative work is developed with a focus on the advantages and disadvantages of the hybrid model with respect to FEM micro-and macro-modeling (aka block based description or continuous homogeneous description), and DEM using rigid blocks. In this regard, validations through experimental benchmarks are achieved and the results of a diagonal compression test are discussed. Then, the main application performed in this work concerns the seismic assessment of a masonry cross vault. The key aspect of the numerical results concerns the ability of this approach in providing realistic prediction of failure mechanisms, which are relevant for retrofitting works, according to the real cracking pattern, considering the real stereotomy of the masonry and large deformations

Effet des hautes températures de l’incendie de Notre-Dame de Paris sur les caractéristiques mécaniques et thermiques d’un calcaire lutétien représentatif

International audienceLes résultats présentés dans cet article illustrent le comportement mécanique et thermique d’un calcaire lutécien (pierre de St-Maximin) représentatif du calcaire de la cathédrale Notre-Dame de Paris. L’effet des hautes températures de l’incendie sur les caractéristiques mécaniques et thermiques du calcaire après refroidissement est évalué. Des mesures mécaniques dynamiques par analyse modale impulsionnelle et par propagation des ondes ultra-sons sont réalisées et comparées à des mesures mécaniques quasi-statiques de compression uni-axiale et de flexion trois points. L’évolution des paramètres (module d’élasticité, coefficient de Poisson, résistance en compression et en traction, conductivité thermique) est estimée sur une plage de température allant de 20 °C à 800 °C grâce à la comparaison et à la complétion réciproque des mesures dynamiques non destructives et des mesures quasi-statiques destructives

ASSESSMENT OF A CONCRETE DAM AFFECTED BY AN INTERNAL SWELLING REACTION (ISR)

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Effect of high temperatures on the mechanical and thermal properties of Notre-Dame de Paris Lutetian limestone

Abstract This study aims to determine mechanical and thermal properties of Saint-Maximin limestone, similar to the Lutetian stone found in the vaults of the Notre-Dame de Paris cathedral, and their variations after heating-cooling cycles at temperatures up to 800°C. An extensive experimental campaign, including both destructive and non-destructive testing, was carried out. The results indicate that the samples can be considered to be isotropic, and the effect of temperature on Poisson's ratio, static modulus of elasticity, compressive and tensile strengths were measured. Non-destructive testing revealed that the usual correlation equations between ultrasonic measurements and mechanical properties are not valid for heated stone samples, particularly when estimating Poisson's ratio. An alternative measurement method using impulse modal analysis was proposed to overcome this issue. Uniaxial compressive tests on specimens of different geometries were used for the estimation of shape factors specific to Saint-Maximin stone. Some of these shape factors contradict the current European standard for stone, which seems to overestimate the effect of slenderness. The study also suggests shape factors after heating at 300°C and 600°C to account for the effect of heating on the compressive strength. The results demonstrate that, while the correlations established for stones at room temperature remain valid, they are not necessarily accurate after a heating-cooling cycle. This study provides important information for the numerical modelling of this material from mechanical and thermal perspectives

ASSESSMENT OF A CONCRETE DAM AFFECTED BY AN INTERNAL SWELLING REACTION (ISR)

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Flexural performance of reinforced concrete beams damaged by Alkali-Silica Reaction

International audienceAlkali-Silica Reaction (ASR) affects concrete and decreases its mechanical characteristics. However, for some reinforced concrete structures, the global mechanical behaviour can appear to be improved by ASR: for similar reinforcement, the first flexural cracking of reactive beams usually occurs for higher loading than in non-reactive beams. The flexural failures of two reinforced beams, one reactive and one non-reactive, are numerically simulated here in order to discuss the origins of the delay in cracking observed for the reactive beam. The poromechanical model used considers the swelling anisotropy, and is able to differentiate ASR diffuse cracking from structural macrocracks and the coupling of both crack types with creep. According to the model results, the cracking delay is due to the chemical prestress in the concrete induced by the ASR swelling being restrained in the direction of the reinforcements; the concrete has to be decompressed before cracking. The mechanical modelling presented in the paper is able to reproduce the differences between the reactive beam and the reference one. The cracking delay obtained for the ASR beam in the flexural test seems interesting from the mechanical point of view. However, this performance could be counterbalanced by durability problems due to ASR diffuse cracking that is induced parallel to the reinforcements. In fact, these cracks, also evaluated by the present modelling, are privileged paths for the ingress of deleterious agents such as carbonates or chlorides

Impact of stresses and restraints on ASR expansion

International audienceSome large civil engineering structures, principally certain concrete dams, are subject to the structural effects of Alkali-silica reaction (ASR). Due to the directions of loading and reinforcement, the stress state is mostly anisotropic. The aim of this paper is to describe the impact of applied stresses and restraint due to reinforcement or boundary conditions on ASR-expansion and induced anisotropic cracking. After the definition and validation of the poromechanical modelling, the paper gives a detailed description of the effects of different aspects of stress (in one, two or three directions) and reinforcement on ASR-expansion for engineers in charge of damaged structures. (C) 2017 Elsevier Ltd. All rights reserved