Modelling of masonry walls under seismic loadings

Abstract

Dans un premier temps, la méthode est présentée pour le cas bidimensionnel. La méthode est introduite de manière générale, en ce qui concerne les milieux discrets périodiques. L’application à la maçonnerie est ensuite abordée. La résistance homogénéisée de colonnes et murs de maçonnerie est calculée en termes de contraintes et couples-contraintes généralisées du milieu continu de Cosserat. La formulation d’une méthode basée sur le milieu de Cosserat permet la prise en compte de l’influence de la rotation relative des particules du milieu discret. Cette influence est mise en évidence à travers l’application à la maçonnerie, en comparaison avec les autres méthodes présentes dans la littérature. Dans un deuxième temps, la méthode est étendue au cas tridimensionnel. Des milieux discrets périodiques ayant leurs particules disposées le long de trois directions spatiales et montrant trois vecteurs de périodicité sont alors considérés. L’extension de la méthode s’inscrit dans le cadre de la théorie micropolaire tridimensionnelle. Cela permet la prise en compte des effets 3Dde la translation et la rotation relative des particules. L’application aux colonnes et aux murs de maçonnerie montre comment la résistance dans le plan et hors-plan de la maçonnerie sont, par ces effets, couplées. La rotation relative des blocs accentue cette interaction, qui comporte une diminution de la résistance dans-le-plan précédemment calculée. Les murs de maçonnerie sont ici décrits par des modèles de plaque micropolaire. Une formulation aux éléments finis pour des modèles de plaque micropolaire est ensuite développée. Dans un premier temps, la formulation est présentée pour l’élasticité et la dynamique. La validation d’un élément fini spécifique pour le calcul des structures est faite à l’aide d’exemples numériques. L’utilisation de cet élément sur des structures de maçonnerie est ensuite abordée, par l’implémentation d’un modèle d’homogénéisation déjà existant. Les fréquences fondamentales d’un mur maçonné sont ainsi calculées et comparées avec celle obtenues par un modèles aux éléments discrets. L’importance des rotations des blocs dans le plan du mur ainsi que leur participation dans la réponse inertielle du mur vis-à-vis des actions sismiques sont enfin investiguées. Dans un deuxième temps, la formulation aux élements finis est étendue à la plasticité, à travers l’implémentation de la théorie multi-critère pour les milieux de Cosserat. L’implémentation de cette théorie est basée sur un algorithme de projection, dont le schéma itératif de résolution est reporté. Les aspects numériques reliés à l’implémentation de l’algorithme sont examinés. Une importante limitation de l’implémentation classique de l’algoritme est montrée et une nouvelle stratégie de solution est proposée. L’élément fini de Cosserat est donc validé pour la plasticite à l’aide de nombreux exemples numériques. En conclusion, trois approches de modélisation pour les structures de maçonnerie sont proposéeset comparées. Un model continu d’homogénéisation basée sur le milieu de Cosserat est d’abord présenté. Le modèle est construit en introduisant les critères de ruptures homogénéisés calculés dans la première partie du travail dans l’élément fini développé dans la deuxième partie du travail. Un modèle continu basée sur le milieu de Cauchy est ensuite considéré. Ce denier est construit à partir de modèles déjà présents dans la littérature. L’efficacité de ces deux modèles est examinée dans la représentation du comportement élastoplastique d’un mur de maçonnerie. Leur comparaison se base sur un troisième modèle, crée à l’aide des éléments discrets. La capacité des trois modèles de modéliser l’effet d’échelle dans la formation des mécanismes de ruine est enfin investiguée sur une application pratique aux structures de maçonnerieDeveloped. The method is based on the two-dimensional micropolar continuum theory and makes use of the kinematic approach of limit analysis in conjunction with a rigorous homogenization technique. The method is introduced in a general way, with regard to the genericclass of discrete periodic media made of particles of the same type. The case of masonry is presented as application. The homogenised strength domains of masonry columns and walls are retrieved in terms of the generalized stresses and couple stresses of the Cosserat continuum. The formulation of the method based on the Cosserat continuum enables the investigation of the influence of the relative rotation of the particles on the strength of the discrete medium. This influence is illustrated by the application to masonry structures, in comparison with other methods presented in the literature. The development of the homogenisation method continues with its extension to discrete periodic media made of particles disposed along three directions and showing three periodicity vectors. In this case, the approach relies on the three-dimensional micropolar theory. This enables to capture the three-dimensional effect of the relative translations and rotations of the particles constituting the discrete medium. The application to masonry columns and walls shows how the in-plane and out-of-plane actions result coupled in the assessment of masonry strength. The relative rotation of the blocks accentuates this effect, which consistently diminishes the in-plane strength. Masonry walls are finally ascribed to homogenised plates with Cosserat kinematics. A finite element formulation for Cosserat plate models is next developed. The formulation is first presented for elasticity and dynamics. The validation of a specific finite element is made by means of numerical benchmarks and patch tests. The actual use of the element is presented in an application to masonry structures. The natural frequencies of a masonry panel modelled by discrete elements are computed and compared with those given by a homogenisation model implemented in the element. This allows to investigate the role of the in-plane rotations of the blocks and to show their implication towards seismic analyses of masonry structures. The finite element formulation is next extended to the elastoplastic framework. The implementation of the multisurface plasticity theory into the Cosserat finite element is presented. The implementation of this theory is based on a projection algorithm. An important limitation of the classical implementation of this algorithm prevents its use in the framework of multisurface plasticity in efficient way. This limitation is discussed and a solution strategy is proposed. The finite element for Cosserat plate models is finally validated through numerous numerical benchmarks. In conclusion, three different modelling approaches for masonry are proposed and comviipared. A continuum model based on the Cosserat continuum is first presented. The model isconstructed by implementing the homogenised yield criteria computed based on the proposed analytical method into the developed finite element. A homogenisation model based on Cauchy continuum is next introduced. This model is constructed by selecting appropriate constitutive laws and yield criteria from the literature. The performance of those homogenisation models in representing the elastoplastic response of a masonry panel is discussed, based on the comparison with a third analogue discrete elements model. The capability of the three models in predicting the scale effect in the formation of failure mechanisms is investigated in a practical application to masonry structure