Contribution à la compréhension du fonctionnement dynamique de structures en béton arme en présence de corrosion

Les évènements récemment survenus au Japon et plus généralement dans le monde ont clairement mis en évidence la nécessité et l'importance de considérer le risque sismique comme un facteur de risque à part entière dans l'évaluation structurale des ouvrages neufs ou existants, qu'ils soient civils ou nucléaires. Sous l'impulsion de l'Union Européenne (UE), soutenue par l'Agence Internationale à l'Energie Atomique (AIEA), cette prise de conscience s'est concrétisée par la mise en place d'un vaste programme, lancé en 2011, visant à réaffirmer la sûreté des installations nucléaires exploitées par les pays membres de l'Union : les Evaluations Complémentaires de Sûreté (ECS) [1-3]. Dans un tel contexte, les exploitants français ont dû mettre en œuvre des méthodologies d'évaluation structurales afin d'estimer les marges de dimensionnement disponibles, en particulier au regard du risque sismique. Toutefois, l'essentiel du parc électronucléaire français a été mis en service pendant la période 1950 - 1970. Les bâtiments, constitués principalement de béton armé, qui composent les installations nucléaires sont donc sujets à l'effet du temps,  encore appelé « vieillissement ». En effet, avec le temps, différents agents agressifs se diffusent progressivement dans le béton et peuvent conduire à la création des conditions idéales pour le développement de pathologies. Un des risques majeurs est  le phénomène de corrosion qui se manifeste par des signes visibles sur les parois extérieures des bâtiments, après une période de 40 ans à partir de l'instant de dépassivation des armatures. Il est aujourd'hui reconnu par la communauté scientifique que cette pathologie conduit à différents effets mécaniques qui entachent la capacité portante des structures en béton armé. Dans un contexte d'évaluation structurale des bâtiments existants et d'estimation des marges de dimensionnement au regard d'un risque donné, la question de la description de l'état initial de la structure et des  conséquences de cet état en termes de tenue structurale se pose donc naturellement. Autrement dit, il s'agit non seulement de comprendre physiquement mais aussi de traduire ces observations afin qu'elles puissent alimenter des modèles de calcul, nécessaires à la réalisation d'analyses de vulnérabilité. Afin d'apporter des éléments de réponse à cette problématique à fort enjeu, le CEA et l'IRSN ont uni leurs efforts en initiant un programme de recherche dédié à la compréhension et à la prédiction de l'effet du vieillissement sur le comportement sismique des structures en béton armé, dimensionnées selon les recommandations applicables dans l'industrie nucléaire française. Pour cela, la table vibrante AZALEE, moyen expérimental unique en Europe, de la plateforme TAMARIS du CEA sera mise à contribution afin de produire des données expérimentales de référence, visant à répondre aux objectifs du programme.

Le phénomène de corrosion des armatures, présentes dans le béton armé pour reprendre les efforts de traction, est l'une des pathologies qui contribue de manière significative à la chute de la performance des structures existantes [4-7]. Ce dernier est dû à la diffusion d'agents agressifs au sein du béton dont la concentration significative au-delà d'un certain seuil, donne naissance à une réaction électrochimique ayant pour effet la production de produits de corrosion. La nature des produits de corrosion dépend essentiellement du type d'agents agressifs en présence et   provoque  des conséquences mécaniques également différentes. D'une manière plus précise, le développement de produits de corrosion conduit à trois effets principaux : (i) la réduction de la section d'acier conduisant à une diminution locale de ductilité [8] ; (ii) le développement d'une fissuration spécifique depuis l'armature vers l'extérieur de la structure du fait du caractère expansif des produits de corrosion [9] et enfin (iii) la modification des propriétés d'adhérence à l'interface acier/béton selon le degré de corrosion [10]. Des efforts considérables ont été consacrés ces dernières années à la compréhension et à la prédiction du comportement des structures en béton armé sous chargement monotone [11-13]. Ces derniers ont notamment permis de fournir des données quantitatives permettant de quantifier l'effet de la corrosion sur la capacité portante des structures existantes ou encore sur le faciès de fissuration résultant. On constate, dans la littérature scientifique, que le cas des chargements cycliques n'a que très peu été étudié [14]. A fortiori, le cas des chargements sismiques (dynamiques lents) pose  de nombreuses questions. Dans le contexte qui a été rappelé en première partie, le travail proposé a pour ambition de faire avancer les connaissances pour mieux comprendre l'effet de la présence de produits de corrosion sur les propriétés et les réponses dynamiques d'une structure existante. Pour cela, les moyens expérimentaux disponibles au sein de la plateforme TAMARIS du CEA seront mis en œuvre. Les résultats de la campagne expérimentale seront traités de manière appropriée afin  de mettre en exergue les effets de la corrosion sur la réponse dynamique de corps d'épreuve en béton armé qui auront été préalablement corrodés. Enfin, une attention particulière sera accordée à la formulation et à la validation d'un modèle simplifié, pouvant être fondé sur le concept de méta-modèle, afin de décrire les principales caractéristiques de la réponse des structures en présence de corrosion.

Les objectifs de ce travail sont les suivants : (i) définir et suivre la réalisation d'une campagne d'essais sismiques visant à mettre en évidence l'effet du phénomène de corrosion sur le comportement sismique des structures en béton armé, (ii) interpréter les résultats expérimentaux à l'aide de techniques appropriées pour répondre à la problématique considérée dans ce travail de thèse et (iii) formuler, implanter et valider un modèle de comportement simplifié visant à décrire les principales conséquences du phénomène de corrosion sur le comportement sismique des structures en béton armé.

Références :

1. Comets, M. P. (2011). L'accident de Fukushima-Les premiers enseignements tirés par l'Autorité de sûreté nucléaire. Reflets de la physique, (27), 24-29.
2. Mourlon, S., Lavarenne, C., & Herviou, K. (2012). ECS, les conclusions de l'ASN: vers un renforcement des dispositions de sûreté. Revue Générale Nucléaire, (3), 60-64.
3. Camarcat, N., & Pouget-Abadie, X. (2011). Evaluations Complémentaires de Sûreté des centrales nucléaires françaises. Revue Générale Nucléaire, (4), 15-22.
4. Richard, B. (2010). Comportement des éléments de structures en béton armé dégradés par corrosion: la problématique de la modélisation de l'interface acier/béton en présence de corrosion.
5. Richard, B., Ragueneau, F., Adelaide, L., Cremona, C., Tailhan, J. L., Quiertant, M., ... & DAUTHUILLE, J. (2009, January). Comportement mécanique de l'interface acier/béton en présence de corrosion. In 19 ème Congrès Français de Mécanique (p. 6p).
6. Adelaide, L., Richard, B., Ragueneau, F., & Cremona, C. (2012). A simplified numerical approach of global behaviour of RC beams degraded by corrosion. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 16(3-4), 414-439.
7. Richard, B., Quiertant, M., Bouteiller, V., Adelaide, L., PERRAIS, M., Tailhan, J. L., & Cremona, C. (2010, January). Experimental and numerical analysis of corrosion induced cover cracking in reinforced concrete beam. In EUROCORR'2010, The European Corrosion Congress (p. 9p).
8. Almusallam, A. A. (2001). Effect of degree of corrosion on the properties of reinforcing steel bars. Construction and Building Materials, 15(8), 361-368.
9. Coronelli, D. (2002). Corrosion cracking and bond strength modeling for corroded bars in reinforced concrete. ACI Structural Journal, 99(3).
10. Al-Sulaimani, G. J., Kaleemullah, M., & Basunbul, I. A. (1990). Influence of corrosion and cracking on bond behavior and strength of reinforced concrete members. ACI Structural Journal, 87(2).
11. Lundgren, K. (2002). Modelling the effect of corrosion on bond in reinforced concrete. Magazine of Concrete Research, 54(3), 165-173.
12. Fang, C., Lundgren, K., Plos, M., & Gylltoft, K. (2006). Bond behaviour of corroded reinforcing steel bars in concrete. Cement and concrete research, 36(10), 1931-1938.
13. Zhang, R., Castel, A., & François, R. (2010). Concrete cover cracking with reinforcement corrosion of RC beam during chloride-induced corrosion process. Cement and Concrete Research, 40(3), 415-425.
14. Fang, C., Gylltoft, K., Lundgren, K., & Plos, M. (2006). Effect of corrosion on bond in reinforced concrete under cyclic loading. Cement and Concrete Research, 36(3), 548-555.