Contribution of a mesoscopic model in predicting the permeability of cracked concrete.
Apport de la modélisation mésoscopique dans la prédiction des écoulements dans les ouvrages en béton fissuré en conditions d'accident grave.
Résumé
This Ph.D. thesis aims at characterising and modeling the mechanical behavior of concrete at the mesoscopic scale. The more general scope of this study is the development of mesoscopic model for concrete; this model is to represent the concrete as a heterogeneous medium, taking into account the difference between aggregate and cement paste respecting the grading curve, the model parameters describe the mechanical and thermal behavior of cement paste and aggregates. We are interested in understanding the concrete behaviour, considered one structure. A program of random granular structure valid in 2D and 3D has been developed. This program is interfaced with the Finite Element code CAST3M in order to compute the numerical simulations. A method for numerical representation of the inclusions of concrete was also developed and validated by projection of the geometry on the shape functions, thus eliminating the problems of meshing that made the representation of all aggregates skeleton almost impossible, particularly in 3D . Firstly, the model is studied in two-dimensional and three-dimensional in order to optimize the geometrical model of the inner structure of concrete in terms of the meshing strategy and the smallest size of the aggregate to be taken into account. The results of the 2D and 3D model are analyzed and compared in the case of uniaxial tension and uniaxial compression. The model used is an isotropic unilateral damage model from Fichant . The model allows to simulate both the macroscopic behavior but also with the local studies of the distribution of crack and crack opening. The model shows interesting results on the transition from diffuse to localized damage and is able to reproduce dilatancy in compression. Finally, the mesoscopic model is applied to three simulations : the calculation of the permeability of cracked concrete ; the simulation of the hydration of concrete at early age and finally the scale effect illustrated by bending computation on notched beams.
Ce mémoire de thèse a pour objectif de caractériser et de modéliser le comportement mécanique du béton à l'échelle mésoscopique. Le cadre plus général de cette étude est le développement d'un modèle mésoscopique du béton; ce modèle consiste à représenter le béton comme un milieu hétérogène en prenant en compte la différence qui existe entre les granulats et la pâte de ciment en respectant la courbe granulométrique qui joue un rôle primordial dans le comportement du béton. Les paramètres du modèle sont ceux qui décrivent les comportements mécanique et thermique de la pâte de ciment et des granulats. Nous souhaitons ainsi nous intéresser à la compréhension du comportement du béton, celui-ci étant considéré comme une structure. Un programme de tirage aléatoire de la structure granulaire valable en 2D et en 3D a été développé. Ce programme est interfacé avec le code de calcul Cast3M qui permet d'effectuer les simulations numériques. Une méthode de représentation numérique des inclusions du béton a été également développée et validée par projection de la géométrie sur les fonctions de forme, éliminant ainsi les problèmes de maillage qui rendaient la représentation de l'ensemble du squelette granulaire quasi-impossible lorsque on souhaite représenter des petits et des gros granulats, particulièrement en 3D. Dans un premier temps, le modèle est utilisé en 2D et 3D pour optimiser le modèle géométrique de structure interne du béton, la stratégie de maillage et la plus petite taille des granulats à modéliser. Les résultats du modèle 2D et 3D sont analysés et comparés dans le cas de sollicitations de traction et de compression uniaxiale. Le modèle utilisé est un modèle d'endommagement isotrope unilatéral développé par Fichant. Le modèle permet de simuler à la fois le comportement macroscopique mais aussi local avec l'étude de la distribution de la fissuration et de l'ouverture des fissures. Le modèle montre des résultats intéressants sur la transition entre l'endommagement diffus et localisé et est capable de reproduire les effets de dilatance en compression. Finalement, le modèle mésoscopique a été appliqué dans les trois cas de simulations : le calcul de la perméabilité du béton fissuré; la simulation de l'hydratation du béton au jeune âge et enfin les calculs de structures avec la mise en évidence de l'effet d'échelle sur des poutres entaillées.