Étude du comportement du béton à hautes températures (une nouvelle approche thermo-hydro-mécanique couplée pour la modélisation du fluage thermique transitoire)

Abstract

La connaissance du comportement du béton soumis à de hautes températures constitue un enjeu de grand intérêt pour les applications du génie nucléaire et pour l évaluation de la sécurité dans des constructions de génie civil. En outre, les incendies récents dans les tunnels européens (sous la Manche, Le Mont-Blanc, Great Belt Link, Tauern), ayant entraîné des dommages aux structures en béton ainsi que des pertes humaines et économiques très importantes, ont suscité un nouvel intérêt pour l évaluation de la performance du béton dans les conditions accidentelles. En effet, les hautes températures entraînent une dégradation des propriétés mécaniques (rigidité, résistance ) du fait de processus de fissuration générés par l effet simultané des efforts appliqués, de la température et de pressions de pores. Tous ces processus nécessitent une modélisation couplée des phénomènes physico-chimiques dont le matériau est le siège ainsi que leurs interactions avec les propriétés de transport de masses, de transfert de chaleur et du comportement mécanique. En outre, quand le béton est soumis à l action combinée du chargement et de hautes températures, sa déformation se décompose, conventionnellement, en deux classes de composantes additives. On distingue : - des déformations thermo-hydriques libres incluant l expansion thermique et le retrait du béton. Le retrait est essentiellement dû à la dessiccation du matériau et à sa déshydratation. - des déformations thermiques sous charge qui consistent en une composante élastique dépendante de la température, une déformation de fissuration et une composante de fluage thermique transitoire. Cette dernière est généralement liée au fait que les transformations physico-chimiques, comme la déshydratation et la dessiccation, se produisent sous charge, ce qui induit un réarrangement de la microstructure du béton et donne lieu à cette déformation macroscopique. Dans ce travail de thèse, une nouvelle approche pour la modélisation de la composante transitoire de la déformation thermique induite sous charge est proposée afin de prédire le comportement du béton à hautes températures. Dans cette approche, le fluage thermique transitoire est décomposé en fluage de dessiccation et en une composante, nouvellement introduite, de fluage de déshydratation. La première composante est due à l évolution de l hygrométrie du matériau tandis que la deuxième est due à sa déshydratation du fait de l augmentation de la température. Par conséquent, une variable de déshydratation est définie et est introduite comme une variable régissant le fluage thermique transitoire lorsque la température dépasse la valeur seuil de 105C. Ce modèle thermo hydro endommageable est implémenté dans un code aux éléments finis. Des simulations numériques sont effectuées et comparées à des résultats expérimentaux pour analyser les capacités prédictives du modèle proposéThe knowledge of concrete structures under high temperatures is of great interest in nuclear engineering applications and in safety evaluation against fire in civil constructions. Furthermore, increasing recurrence of tunnel fires in Europe (Channel, Mont-Blanc, Great Belt Link, Tauern) resulting in damage of concrete causing heavy economical and human losses, have leaded to a renewed interest in the behaviour of concrete at accidental conditions of temperature. In fact, when concrete is exposed to high temperatures, this leads to an evaporation of the free water, a pore pressure built up and a heat and mass transfer into the concrete structure which cause an incompatibility between the expanding aggregates and the shrinkage cement past. This incompatibility leads to the material degradation and microcracking. These entire phenomena will influence the thermal, hygral and mechanical material proprieties of the concrete. Therefore, the need to design durable concrete structures requires a robust modeling of all the processes involved in the deformation and degradation mechanisms of the material and it becomes essential to consider their coupling. When concrete is under the effect of combined mechanical loads and high temperature distributions, it exhibits strains which are conventionally split to a set of additive components: Stress-free components, referred to thermo-hygral strains, which include thermal expansion and hygral shrinkage due to both drying and dehydration. Stress induced thermal strains which mainly consist in a temperature dependent elastic strain, a micro-cracking strain and an additional component, commonly referred to as transient creep. This additional component is generally related to the fact that physical transformations, such as drying and dehydration, are occurring under sustained stress fields, which lead to a rearrangement of the evolutionary microstructure and give rise to this macroscopically measured strain. In this study, a new approach for modeling the transient component of the induced thermal deformation under load is proposed in order to predict the concrete behavior when subjected to high temperatures with a concomitant applied load. This component is conventionally referred to as transient creep strain. In this approach, the transient creep strain is split in to a drying creep component and a newly introduced dehydration creep strain. The former is related to the evolution of the hygrometric state of the material, while the later is related to the material dehydration which results from the heating induced chemical transformations. Therefore, a dehydration variable is defined and then introduced as a driving variable of the transient creep for temperatures exceeding 105 C. This thermo-hydro-damage model is implemented using a finite element code and numerical simulation are performed and compared to experimental results in order to assess the predictive ability of the proposed modelPARIS-EST Marne-la-Vallee-BU (774682101) / SudocSudocFranceF