Study of the mechanical behavior of steel/concrete interfaces : contribution of the analysis at the mesoscopic scale - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Study of the mechanical behavior of steel/concrete interfaces : contribution of the analysis at the mesoscopic scale

Etude du comportement mécanique des interfaces acier/béton : apport de I'analyse à l'échelle mésoscopique

Résumé

In order to predict the importance and distribution of damage in reinforced concrete structures subjected to severe loadings, the modeling of the behavior of the interfaces between reinforcement steel and concrete is essential, because it directly influences the crack patterns. The macroscopic interface models commonly used in structure simulations are functions of various parameters whose physical significance is sometimes not very clear and identification is difficult. Hence, the mesoscopic scale is investigated here to improve the understanding of the behavior of the interface by developing modeling tools at the scale of the rib. To do so, numerical three dimensional reinforced concrete volumes designed for classical pullout tests containing explicitly the reinforcement are generated, using either ribbed or smooth steel bars. Linear pull-out test simulations are first performed using spring interface model to check the effect of stiffness parameters. Following, in order to describe cracking in concrete in non-linear simulations, Mazars isotropic damage approach is introduced with regularization in tension and in compression. Simulations are then performed on a sample with a smooth bar by assigning a modified cohesive zone model (CZM) based on Tvergaard's approach, and a frictional model to the steel-concrete interface, to show the limitations in such models. To overcome these limitations, a 3D frictional cohesive zone interface model (FCZM) is proposed and implemented. In this model, the interface is divided into an undamaged part where the CZM model applies and a damaged part where the frictional model dominates. The overall response of the pullout test simulations is studied in terms of damage and distribution of the principle stresses near the steel bar, and the applied force versus free end displacements curves which are compared to available experimental data. A good agreement between simulations and experimental results for both smooth and ribbed bars cases is obtained using the implemented model. Using FCZM, the impact of introducing explicitly the aggregates is studied by replacing the homogenous part by a two phase heterogeneous concrete made up of coarse aggregates having polyhedrons shapes and the surrounding mortar. The results showed good agreement with experimental data after providing an appropriate calibration of the mortar parameters, still with a higher computation cost encouraging the usage of homogenous concrete. Another important aspect is varying shapes and dimensions of the ribs. In this regard, a study is done by using a steel bar with only one rib and varying the dimensions of this rib to characterize the corresponding effects. In addition, simulations are performed on herringbone bar and rectangular ribbed bars. Eventually, the results coincide with some conclusions in literature which relate the increase in the bond strength to the increase of the rib surface area. Still, it has been found that the most important part is the normal projected surface of the rib, and not the total surface area usually calculated. In addition, the overall formation of the ribs have an effect and may affect importantly the bond strength. The projected normal surface area is then proposed as a parameter that can be sued by macroscopic models to predict the increase in the bond strength. Finally, the effect of external confinement is investigated, and the results show that the model can correctly describe this aspect.
Afin de prédire l'importance et la répartition des dommages dans les structures en béton armé soumises à des chargements sévères, la modélisation du comportement de l'interface entre les armatures en acier et le béton est essentielle, car elle influence directement la distribution des fissures. Les modèles d'interface macroscopiques couramment utilisés dans les simulations de structures incluent différents paramètres dont la signification physique est parfois limitée et pour lesquels l'identification reste difficile. Pour améliorer la compréhension du comportement de l'interface, l'échelle mésoscopique est retenue pour développer des outils de modélisation à l'échelle de la nervure. Pour ce faire, des volumes tridimensionnels de béton armé représentant des spécimens d'essais de « pullout » et contenant explicitement l'armature sont modélisés, en y intégrant des barres d'acier nervurées ou lisses. Des simulations linéaires sont tout d'abord effectuées à l'aide d'un modèle d'interface de type “ressort” pour vérifier l'effet des paramètres de rigidité. Ensuite, afin de décrire la fissuration dans le béton dans le cadre de simulations non linéaires, le modèle d'endommagement isotrope de Mazars est introduit avec régularisation en traction et en compression. Des simulations sont ensuite effectuées sur un échantillon de “pullout test” avec une barre lisse en associant à l'interface soit un modèle de zone cohésive modifié (CZM) basé sur l'approche de Tvergaard, soit un modèle de frottement, pour montrer les limites de ces modèles. Pour pallier ces limites, un modèle d'interface de zone cohésive avec frottement en 3D (FCZM) est proposé et implémenté. Dans ce modèle, l'interface est divisée en une partie non endommagée où le modèle CZM s'applique et une partie endommagée où le modèle de frottement domine. La réponse globale des essais de pullout est étudiée en termes d'endommagement et de distribution des contraintes principales à proximité de la barre d'acier. Les courbes force appliquée - déplacement à l'extrémité libre de la barre sont comparées aux données expérimentales disponibles. Un bon accord entre les simulations et les résultats expérimentaux est obtenu en utilisant le modèle mis en œuvre, à la fois pour les barres lisses et nervurées. A l'aide du modèle FCZM, l'impact de l'introduction explicite des granulats est étudié en remplaçant la partie homogène par un béton hétérogène à deux phases constituées des granulats ayant des formes polyhédriques et de la matrice de mortier. Les résultats montrent également un bon accord avec les résultats expérimentaux moyennant une calibration adéquate des paramètres du mortier, mais avec un coût de calcul plus élevé, ce qui milite en faveur de l'utilisation d'un béton homogène. Un autre aspect important est l'analyse des effets de la forme et des dimensions des nervures. Ainsi une étude est réalisée en utilisant une barre d'acier avec une seule nervure, et en faisant varier ses dimensions. Des simulations sont également effectuées sur des barres à chevrons et des barres nervurées rectangulaires. Les résultats confirment les quelques conclusions de la littérature qui relient l'augmentation de la force d'adhérence à l'augmentation de la surface de la nervure. Néanmoins, le paramètre le plus influent pour l'effort de liaison est la surface projetée normale de la nervure, et non la surface totale habituellement calculée. La surface normale projetée est donc proposée comme un paramètre pouvant être utilisé par des modèles macroscopiques de liaison. Enfin, l'effet du confinement externe est étudié et les résultats montrent que l'approche développée permet de décrire correctement cet aspect.
Fichier principal
Vignette du fichier
121793_ABBAS_2022_archivage.pdf (5.77 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04319572 , version 1 (03-12-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04319572 , version 1

Citer

Mohammad Abbas. Study of the mechanical behavior of steel/concrete interfaces : contribution of the analysis at the mesoscopic scale. Structures. Université Paris-Saclay, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPAST140⟩. ⟨tel-04319572⟩
103 Consultations
26 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More