Prise en compte de la variabilité des effets des réactions de gonflement interne des bétons dans la modélisation du comportement structural des ouvrages atteints // accounting for the variability of the effects of concrete internal swelling reactions in t

Topic description

Les Réactions de Gonflement Interne du béton (RGI) sont des pathologies qui conduisent à une expansion des bétons atteints, à leur fissuration et à la dégradation de leurs performances mécaniques. A l'échelle de la structure, ces pathologies peuvent induire des dégradations de fonctionnalités de service (déplacement incontrôlés, fissuration, contraintes additionnelles), voire parfois des problèmes d'intégrité structurale. Dans le cadre de la gestion des ouvrages atteints, des modèles de re-calcul ont été développés et intégrés aux procédures de gestion afin de quantifier les conséquences structurales du développement des RGI [1,2]. Utilisant comme données d'entrée des grandeurs collectées en laboratoire à l'échelle du matériau, ils intègrent de nombreuses lois reproduisant les couplages thermo-hydro-chemo-mécaniques induits par l'influence des conditions de service sur le développement des RGI [3–5]. A l'image d'autres propriétés des bétons, le développement des RGI présente une certaine dispersion intrinsèque au matériau qui se répercute à l'échelle de la structure. Toutefois, l'usage des modèles de re-calcul n'intègre que très rarement cette dispersion. La quantification de ces incertitudes dans la prédiction des effets structurels des RGI constituerait donc une avancée pour la gestion des ouvrages atteints.

Cette thèse ambitionne de progresser dans la caractérisation et la prise en compte dans les outils de calcul de la dispersion des phénomènes de RGI et de leurs conséquences, de l'échelle du matériau à l'échelle de la structure. Une étude bibliographique approfondie analysera tout d'abord les résultats de la littérature concernant les RGI afin d'évaluer les données disponibles pour quantifier la dispersion des grandeurs caractéristiques des pathologies. L'étude bibliographique portera également sur la dispersion des phénomènes hydriques, thermiques et chimiques qui interviennent dans la détermination du développement des RGI tout au long de la durée de vie des structures. Par ailleurs, cette recherche bibliographique permettra d'identifier des cas d'étude de structures ayant fait l'objet d'une auscultation durant le développement des RGI et proposant une caractérisation détaillée à l'échelle du matériau ; ces résultats seront utilisés pour l'évaluation des modélisations envisagées dans la thèse. En parallèle, un travail de prise en main d'outils de modélisation existants sera conduit, en se concentrant sur les modèles déjà développés au laboratoire. Une étude de sensibilité sera conduite afin de mettre en évidence les paramètres caractérisant les RGI à l'échelle du matériau, les plus influents dans la modélisation de la réponse structurale des éléments atteints de RGI. Les paramètres ainsi identifiés feront l'objet d'une caractérisation de leur distribution statistique, à la lumière des études relevées durant l'étude bibliographique. Dans l'éventualité où la littérature révèlerait des manques, l'analyse des développements de la littérature portant sur l'étude statistique d'autres phénomènes de durabilité (en particulier la corrosion [6,7]) permettra d'identifier des pistes de progrès pour les RGI. Par ailleurs, des propositions de caractérisations expérimentales nouvelles pourront être formulées pour combler ces manques ; selon leur ampleur et selon les durées d'essai identifiées (les essais propres aux RGI ayant des durées caractéristiques fréquemment de l'ordre de l'année), certains essais pourront être initiés pour compléter les bases de données. Enfin, les cas de structures identifiés dans la littérature seront modélisés dans le cadre d'une approche mécano-fiabiliste [8,9] intégrant les lois de probabilité identifiées pour les paramètres les plus influents dans les étapes précédentes du projet. L'objectif sera d'évaluer l'intérêt d'une telle approche par rapport à des calculs déterministes intégrant les valeurs extrêmes que peuvent prendre les différents paramètres d'entrée [10] (calculs « en fourchette »).
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Internal Swelling Reactions (ISR) of concrete (including Alkali Aggregate Reaction AAR and Delayed Ettringite Formation DEF) are pathologies inducing expansion of the affected materials, cracking and decrease of the mechanical properties. At the structural scale, they lead to serviceability issues (including uncontrolled displacements, cracking, additional stresses), and sometimes raise structural safety concerns. In this context, re-assessment models have been developed and integrated in management strategies to quantify the consequences of ISR at the structural scale [1,2]. Input of these models are results collected at the material scale in the laboratory; in addition, they incorporate multiple coupling laws accounting for the effects of service conditions (temperature, water supply, chemical environment, stress state) on the local development of ISR [3–5]. Similarly to other concrete characteristics, ISR demonstrate scattered properties at the material scale, which in turn affects the structural response. However, this variability is not represented in the re-assessment models most of the time. The quantification of the prediction uncertainties of ISR-induced structural effects would thus help to improve the management of affected structures.

The PhD project aims to improve the understanding and implementation of ISR variability and its consequences in structural re-assessment tools, from the material scale to the structural scale. An in-depth literature review will focus on ISR studies allowing a quantification of the dispersion of ISR-representative parameters. In addition, this literature review will address processes related to moisture, temperature and chemical composition as they influence the evaluation of ISR progress during the service life of the structures. Finally, studies from the literature corresponding to the structural characterization of ISR-affected structural members, associated with the determination of the corresponding material characteristics, will be identified as benchmark cases of the models to be tested during the project. In parallel, ability to use existing re-assessment models will be developed. As a first step, tools developed at the EMGCU laboratory will be considered. A sensitivity analysis will be then conducted to identify the material parameters that are most influencing the structural response. The typical statistical distributions of the identified parameters will be identified, based on the literature review. In case literature could not provide enough data to characterize all parameters, literature results from studies addressing other durability issues will be considered (especially corrosion which has been studied in the framework of statistics [6,7]). In addition, possible experimental investigations will be determined to complement results identified in the literature. Depending on the extent and duration (typically about one year) of the proposed tests, possible (limited) experimental campaigns could be considered. Finally, structural cases identified in the literature review will be modelled including reliability features [8,9] through the use of probability distributions determined for the most influencing parameters identified previously. The final objective will be to evaluate the opportunity of this approach as compared to deterministic structural calculations accounting for lower an upper bounds of input parameters [10].
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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Concours pour un contrat doctoral