Structural health assessment methodology of a wooden structure of the Heritage : case study of the Villereal Hall

Le diagnostic d’une structure ancienne en bois est une étape nécessaire lors d’une restauration ou d’un changement d’usage. De nos jours, l’analyse mécanique s’intègre dans la méthodologie de diagnostic. Or cette analyse mécanique est soumise à plusieurs sources d’incertitudes aléatoires et/ou épistémiques de par la nature même du matériau bois et du caractère aléatoire des charges appliquées et des conditions environnantes. Cette thèse vise à proposer une méthodologie suffisamment complète de diagnostic de structures du patrimoine bois au travers d’approches expérimentales et numériques en se donnant comme objet d’étude la halle de Villeréal en Lot-et-Garonne. Les approches expérimentales sont constituées de : (i) un examen visuel sur site couplé à des relevés par scanner 3D, (ii) une campagne d’essais non destructifs (END) réalisés in situ sur des éléments de la structure pour estimer la masse volumique et le module d’élasticité longitudinal du bois et (iii) une série d’essais de caractérisation de chevilles en bois et d’assemblages traditionnels afin de déterminer leurs propriétés mécaniques (résistances et raideurs). Les résultats de ces campagnes expérimentales permettent d’alimenter le modèle éléments finis de la structure en adoptant un comportement élastique isotrope pour le bois et un comportement non linéaire dissymétrique en traction/compression pour les assemblages. L’association de la méthode de surfaces de réponse (RSM) et des simulations de Monte-Carlo est proposée pour la propagation d’incertitudes en considérant la variabilité des propriétés matérielles (module d’élasticité, masse volumique) et d’assemblages (raideurs et résistances d’assemblages). La fiabilité structurale vis-à-vis des états-limites ultimes et de service est jugée acceptable selon l’Eurocode 0. Enfin, l’étude de robustesse permet d’évaluer l’effet de dégradations d’assemblages sur la fiabilité de la structure et d’identifier les assemblages les plus influents sur la robustesse afin de fournir des points de contrôle ou de suivi dans une optique de maintenance de la structure.The diagnosis of an old wooden structure is a necessary step during a restoration or a change of use. Nowadays, the mechanical analysis is integrated in the diagnosis methodology. However, this mechanical analysis is subjected to several sources of random and/or epistemic uncertainties due to the nature of the wood material, randomness of the applied loads and the environmental conditions. This thesis aims at proposing a sufficiently complete methodology for the diagnosis of wooden heritage structures through experimental and numerical approaches, using the Villereal Hall in Lot-et-Garonne as a study case. The experimental approaches were composed of: (i) a visual examination on site coupled with 3D scanner surveys, (ii) a campaign of non-destructive tests (NDT) performed in situ on elements of the structure in order to estimate the density and the longitudinal modulus of elasticity of the wood and (iii) a series of characterization tests of wooden dowels and traditional assemblies in order to determine their mechanical properties (strengths and stiffnesses). The results of these experimental campaigns were used to feed the finite element model of the structure by adopting an isotropic elastic behavior for the wood and a non-linear asymmetric behavior in tension/compression for the connections. The association of the response surface method (RSM) and Monte-Carlo simulations was proposed for the propagation of uncertainties by considering the variability of material properties (modulus of elasticity, density) and connections (stiffnesses and strengths of connections). The structural reliability with respect to the ultimate and serviceability limit states was judged acceptable according to Eurocode 0. Finally, the robustness study allows the evaluation of the effect of assembly degradations on the reliability of the structure and to identify the most influential assemblies on the robustness in order to provide control or monitoring points for the maintenance of the structure