Date : 1997
Type : Livre / Book
Type : Thèse / ThesisLangue / Language : français / French
Résumé / Abstract : Ce travail porte sur la modélisation du comportement du béton en dynamique rapide et son application au calcul des structures et ouvrages en béton, béton armé et béton de fibres. Il présente, d’une part, le développement d’une loi de comportement adaptée au matériau béton en dynamique, et d’autre part, le développement des algorithmes nécessaires à sa mise en œuvre dans un code de calculs par éléments finis. Enfin, une partie importante de ce travail concerne l’application de ce modèle à un problème industriel concret : l’étude prédictive de la réponse de conteneurs en béton de fibres, utilisée pour le stockage des déchets radioactifs, suite à l’impact résultant d’une chute libre de 5 mètres. La modélisation des différents aspects du comportement du béton en dynamique (augmentation de résistance et de module d’élasticité avec la vitesse de chargement) est effectuée au niveau macroscopique en s’appuyant sur les résultats expérimentaux permettant d’identifier les paramètres importants dans le comportement du matériau à haute vitesse. Principalement, l’importance de l’eau dans les pores du béton sur ses propriétés mécaniques en dynamique conduit à introduire, dans une modélisation élasto-plastique du béton, une variable supplémentaire, prenant en compte ce paramètre au niveau macroscopique. Le développement de ce modèle couplé amène à définir une loi de comportement visco-élasto-plastique dans laquelle un concept nouveau, l’écrouissage visqueux, qui traduit l’évolution du seuil de plasticité avec la variable de déformation visco-élastique, est introduit pour modéliser au niveau macroscopique l’augmentation de résistance du béton avec la vitesse de chargement. Cette loi de comportement est alors implantée dans un code de calculs par éléments finis. L’intégration des contraintes visco-élasto-plastiques du modèle conduit au développement de deux algorithmes permettant une actualisation implicite ou explicite des variables du modèle. Le modèle est alors appliqué à la simulation de la réponse de structures simples soumises à des chargement dynamiques : éprouvettes en traction et compression simples, prismes en flexion simple et dalles armées testées au tube à choc. La comparaison avec les résultats expérimentaux permet de vérifier la précision du modèle et de définir ses limites. Enfin, afin de traiter le problème industriel à l’origine de cette thèse, la loi de comportement visco-élasto-plastique est appliquée à un béton de fibres à ultra haute résistance, le Béton de Poudres Réactives (BPR). Les paramètres du modèle sont estimés d’après des résultats d’essais de traction directe à différentes vitesses de chargement. Des simulations de chutes de conteneurs en BPR de différentes hauteurs sont alors présentées. La bonne corrélation entre les résultats numériques et expérimentaux, notamment en ce qui concerne l’évaluation de la hauteur de chute « critique », de l’orientation et de la position des fissures, du mode de ruine, montre l’intérêt du modèle pour les ingénieurs, notamment lors des études de pré-dimensionnement.
Résumé / Abstract : This work is concerned with the modelling of concrete behaviour in high rate dynamics and its application to the finite element calculation of concrete, reinforced concrete and fiber-reinforced concrete structures. It consists, on the one hand, in the development of a suitable onstitutive law for concrete in dynamics and, on the other hand, in the development of algorithms for its integration in a finite element code. Finally, a major part of this work is dedicated to the treatment of an industrial application : the estimation of the response of fiber-reinforced concrete containers for radioactive waste when subjected to a 5 meter high drop test. Modelling of the main aspects of concrete behaviour in high rate dynamics (characterized by the increase of strenght and elastic modulus with the loading rate) is treated at the macroscopic level and is based on experimental results that clearly identify the important parameters in the behaviour of concrete at high loading rates. Mainly, the importance of the presence of water in the pores of concrete on its mechanical properties in dynamics, leads to the introduction of an additional variable in an elasto-plastic model for concrete, in order to account for this parameter at the macroscopic level. The development of this coupled model leads to a visco-elasto-plastic constitutive law in which a new concept, visvous hardening, which expresses the evolution of the plastic yield limit with a visco-elastic variable, is introduced to account at the macroscopic level for the strength enhancement observed in dynamics for concrete. This constitutive law is then implemented in a finite element program. The integration of the visco-elasto-plastic stresses leads to the development of two return mapping algorithms characterized by an implicit or explicit updating of the variables of the model. The model is then applied to the modelling of the response of simple structures subjected to dynamic loading : specimens tested in direct tension and compression, small beams tested in bending and reinforced slabs tested with a shock tube. The accuracy of the model and its limits are then evaluated through the comparison between experimental and numerical results. Finally, in order to treat the industrial problem at the origin of this thesis, the visco-elasto-plastic constitutive law is applied to an ultra high strength fiber reinforced concrete : the Reactive Powder Concrete (RPC). The parameters of the model are obtained through direct tensile tests results at various loading rates. Modelling of drop tests of the RPC containers from various heights are then presented. The good correlation between experimental and numerical results, in terms of the evaluation of the critical height, the orientation and the position of the cracks, demonstrate the suitability of the model for engineering purposes, speially for initial design studies.