Laboratoire d'accueil : Bureau d'analyse du génie civil et des structures (BAGCS)

Date de début de thèse : 01/10/2009

Nom du doctorant : Xuan Dung Vu

Contexte

Le béton est un matériau très utilisé pour la construction des infrastructures les plus sensibles (ouvrages d'art, barrages, centrales nucléaires... ). Pourtant son comportement mécanique reste encore mal connu, en particulier sous sollicitations extrêmes (explosion, impact ... ). lors de telles sollicitations Je béton est soumis à des états de contrainte triaxiaux d'intensité très importante qui suivent des chemins de chargement complexes. Ainsi, la validation de modèles de comportement dynamique du béton, prenant en compte simultanément les phénomènes d'endommagement fragile et de déformation irréversible comme la compaetion, nécessite de disposer de résultats d'essais reproduisant de tels chemins de sollicitation à la fois intenses et complexes.
Afin de répondre à cette problématique de caractérisation du béton sous sollicitations extrêmes, le laboratoire Sols Solides Structures - Risques s'est lancé depuis 2004 ans dans un vaste programme expérimental. Pour palier aux inconvénients des essais dynamiques, le laboratoire s'est doté d'une presse triaxiale de grande capacité dénommée GlGA. Cette presse, d'un coût de 1,SM€, a été financée par la DGA dans le cadre du protocole de coopération PREVI (Pôle de Recherche sur la Vulnérabilité des Infrastructures) passé entre l'UJF, l'INPG, le CNRS et la DGA. Elle permet de solliciter des échantillons de béton de taille décimétrique jusqu'à des niveaux de contrainte de l'ordre du Giga Pascal. Trois thèses ont été réalisées en lien avec cet outit expérimental. Des résultats majeurs ont été obtenus dans le cadre de ces travaux qui montrent notamment que:

• le degré de saturation du béton est un paramètre qui influe énormément sur la résistance du béton sous très fort confinement. Or, dans les infrastructures massives de type enceintes de réacteur nucléaire ou barrages, le béton sèche très rapidement sur le parement mais reste quasi-saturé à coeur pendant la durée de vie de l'ouvrage.
• le rapport Eau/Ciment qui gouverne la résistance du béton en compression simple n'a plus aucune influence sur la résistance du béton sous très fort confinement. Cette dernière est complètement caractérisée par l'empilement granulaire constitutif du matériau avant hydratation.

En résumé, les résultats des essais réalisés avec la presse GIGA montrent que sous fort confinement, le béton a un comportement de type empilement granulaire non cohésif. La résistance de la matrice cimentaire du béton vierge n'a plus d'influence alors que la quantité d'eau libre présente dans le béton vierge, bien que très faible, joue un rôle prépondérant. Ces résultats vont ainsi à l'encontre de ce qui est usuellement admis pour le comportement uniaxial, ou à faible confinement, du béton. Outre leur originalité, ces résultats révèlent aussi la complexité du comportement du béton et la nécessité de développer des modèles de comportement appropriés.

Un modèle de comportement dynamique du béton a ainsi été développé par la DGA en collaboration avec le LMT Cachan puis avec le laboratoire 3S-R. Ce modèle est basé sur un modèle d'endommagement bien adapté au calcul sismique, le modèle PRM (Pontiroli, Rouquand, Mazars), qui permet la description des mécanismes de dégradation et de fissuration du béton à faible confinement. l'extension de ce modèle au domaine d'utilisation des impacts à grandes vitesses et des explosions en champ proche a consisté en un couplage avec le modèle élastoplastique de Krieg et Svenson qui permet de reproduire le comportement du béton fortement confiné. la capacité du modèle PRM-couplé à reproduire les essais triaxiaux réalisés sur la presse GIGA a été évaluée. le modèle montre une bonne aptitude à reproduire la compaction isotrope du béton ainsi que l'état limite en fonction de son degré de saturation du béton.

De son côté, dans le cadre de ses missions d'expertises et d'appui technique aux autorités de sûreté, l'IRSN réalise des actions de R&D dans le domaine de la vulnérabilité des ouvrages de génie civil sous chargement dynamique (séisme, impact, explosion, ... ). Pour ce qui concerne le domaine des chargements en dynamique rapide comme les impacts, l'IRSN a choisi le 10gicieILS_DYNA et les lois de comportement présentes dans ce logiciel, en particulier les modèles de Malvar, de Winfrith et de Murray pour la réalisation des simulations numériques. L'objectif de l'IRSN est de disposer d'un outil numérique capable de prévoir te comportement mécanique des ouvrages complexes en béton armé ou précontraint sous l'effet de ces chargements. Afin de disposer de données expérimentales fiables pour la mise au point de cet outil, l'IRSNjDSR participe, dans le cadre d'un groupe de travail regroupant une dizaine d'autres partenaires, à des essais réalisés en Finlande par VIT sur des dalles en béton armé impactées par un projectile cylindrique déformable (choc mou).

D'une manière générale, les caractéristiques dynamiques du béton sont délicates et coûteuses à obtenir, et ne pourront être demandées aux exploitants pour chaque ouvrage, comme support aux études et expertises. l'IRSN souhaite donc développer des outils de modélisations du comportement en dynamique rapide des ouvrages en béton, alimentés par des caractéristiques usuelles (module d'Young, résistance en traction, énergie de fissuration, ... ) quantifiées de façon précise, associés à des courbes globales caractérisant le comportement dynamique extrapolables aux différents ouvrages étudiés. Il est donc nécessaire pour cela de savoir estimer ces grandeurs physiques ainsi que l'influence de leur incertitude par rapports aux paramètres mesurés expérimentalement sur le comportement dynamique de l'ouvrage dans le cadre d'une loi rhéologique adaptée.

L'ensemble des essais finlandais fournis de nombreux résultats spécifiques à la dynamique rapide, et sous conditions d'impact varié, dont l'étude détaillée ainsi que l'évaluation précise à la fois des caractéristiques mécaniques usuelles et des caractéristiques dynamiques, permettra de développer et de nourrir un modèle béton adapté à la problématique impact-explosion. Pour les besoins du groupe de travail sur les essais VIT, l'IRSN a proposé de faire des essais pour caractériser le béton utilisé en Finlande sur ces dalles. Ces résultats expérimentaux, accessibles à tout le groupe impliqué dans les essais Finlandais, permettront aussi à tous les partenaires d'identifier leurs propres modèles. Ce sont des essais statiques sur la machine GIGA à différentes valeurs de confinement.

D'autres essais dynamiques à l'Université de METZ sont également prévus afin de définir l'effet de la vitesse du chargement sur la limite en traction de ce béton.
les besoins de l'IRSN pour ses actions d'expertise et d'études dans le cadre de cette problématique sont de 4 ordres:

• Identifier les caractéristiques matériaux capables d'alimenter les modèles mécaniques disponibles pour la simulation du comportement des ouvrages de génie civil sous séisme et impact (caractéristiques de compression triaxiale, de traction dynamique... ), notamment, les modèles de Malvar, Winfrith et Murray du code de calcu LS_DYNA
• Utiliser les essais finlandais (essais VTT) comme données expérimentales support pour la validation des modèles disponibles et le choix de leurs paramètres, usuels et spécifiques à la dynamique rapide
• Définir une méthodologie pour identifier les paramètres à partir des données usuelles
• Développer, en complément des modèles existants, les outils nécessaires à la simulation des ouvrages de génie civil sous impact sous la forme d'un modèle de comportement spécifique et adapté au béton sous impact dans le code de calcuILS-DYNA, sur la base du modèle PRM développé par la DGA, performant avec la donnée des caractéristiques usuelles du béton.

Sujet de thèse

Dans le cadre de cette problématique de vulnérabilité des infrastructures massives en béton soumises à des impacts, on propose, à travers cette thèse, de mener une étude comprenant la caractérisation du comportement du béton sous fortes contraintes, la modélisation de ce comportement et sa validation à travers la simulation d'essais d'impact sur des dalles en béton.

Partie I-Caractérisation triaxial statique et dynamique du comportement du béton

Cette partie consistera en la réalisation d'essais triaxiaux statique et dynamique sur des échantillons d'un béton identique à celui des dalles des essais Finlandais (béton ECSO). les essais statiques sous forts confinement seront réalisés à Grenoble avec la presse GIGA. Ces essais permettront de reproduire le comportement en compression triaxial du béton que J'on rencontre derrière l'impacteur. l'effet du degré de saturation du béton sur son comportement volumique et sur sa résistance au cisaillement sera en particulier évalué.
les essais dynamiques seront réalisés en collaboration avec l'Université de Metz. Ces essais permettront de caractériser le comportement du béton vis·à·vis des phénomènes de cratérisation et d'écaillage et l'influence de la vitesse de déformation sur le comportement en traction du béton.

Partie II-Identification/Améliorotion de modèles de comportement du béton

Une identification critique de modèles de comportement dynamique triaxial du béton, notamment le modèle PRM disponible dans le logiciel ABAQUS et le modèle de Malvar disponible dans le logicieILS_DYNA, sera réalisée.
En fonction de la capacité du modèle PRM à bien reproduire les essais d'identification, celui-ci fera l'objet d'améliorations dans le cadre de cette thèse, notamment pour la partie élasto-plastique du modèle qui présente le plus de limitations, notamment sous la forme d'un matériau libre dans LS_DYNA (USER_MAT).

Ces améliorations pourront porter sur:

• la prise en compte des contraintes de cisaillement sur la compaction du béton. l'amélioration de ce point devrait permettre d'améliorer la qualité des résultats de simulation de pénétration dans le cas de structures massives pour lesquelles le cisaillement domine.
• une meilleure prise en compte de l'effet de l'eau libre sur le comportement volumique du béton et sur sa résistance au cisaillement, en s'appuyant sur des hypothèses physiques plus réalistes que celles actuellement utilisées dans le modèle PRM. Ce point devrait permettre d'améliorer la qualité des résultats de simulation lorsque le béton est proche de la saturation.

Partie III-Validation: Suivi/Simulation d'essais d'impact sur dalles en béton.
Le modèle numérique précédemment développé sera utilisé pour simuler les essais d'impact sur dalles en béton armé réalisés par VTT en Finlande.
le doctorant sera par ailleurs chargé du suivi et de la simulation des essais réalisés dans le cadre du projet ANR Vulcain (tirs de tubes en acier de IOem de diamètre sur des dalles BA de 3 à 12cm d'épaisseur). Ces essais seront réalisés en collaboration avec le Centre d'Etudes de Gramat (DGA).
Cette partie validation se terminera par la simulation d'essais de pénétration sur des cibles en béton (chocs durs) réalisées par la DGA à Gramat dans le cadre de la collaboration PREVI (DGA - 3S-R).