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Loi constitutive chimioplastique pour le béton exposé aux hautes températures.

Rabah Hammoud

PhD thesis (2013)

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Cite this document: Hammoud, R. (2013). Loi constitutive chimioplastique pour le béton exposé aux hautes températures. (PhD thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/1103/
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Abstract

Résumé Le béton est le matériau le plus répandu dans le monde de la construction et ceci depuis des siècles. Néanmoins, il reste encore énigmatique pour les ingénieurs qui essayent de comprendre et de simuler son comportement mécanique sous différents environnements. À la lumière des récents évènements, incluant les incidents industrielles et pyromanes, une attention spéciale a été focalisée sur la performance du béton soumis à des hautes températures. Succinctement, l'exposition du béton à des hautes températures réduit considérablement ses propriétés mécaniques, ce qui endommage significativement l'intégrité structurelle ainsi que la capacité portante d'une structure. L'écaillage du béton reste l'un des principaux problèmes à résoudre dans le cas des incendies dans les bâtiments et les tunnels. Une modélisation réussie de ce phénomène dépend non seulement de la précision du profile de la température à travers la structure en béton, mais également de sa réponse mécanique vis-à-vis d'un chauffage rapide, des conditions aux limites et de la migration de l'humidité associée aux gradients de pressions interstitielles. Par conséquent, il est nécessaire de mettre au point des formulations mathématiques fiables pour simuler le comportement du béton pendant et après son exposition à des températures élevées. Il est également nécessaire de bien évaluer les effets de la dégradation thermique afin de développer des outils de prévision et de valider les codes de calcul. De nombreux problèmes structurels peuvent être formulés de façon adéquate par un modèle élasto-plastique. Le but ultime de cette étude est le développement d'un nouveau modèle constitutif dans un cadre chimio-plastique. Pour se faire, un programme expérimental a été lancé. Le but de ce programme est double. D'abord, il est primordial pour la calibration de la loi de comportement proposée dans le cadre de cette thèse et, secundo, pour la définition d'un problème inverse. Des essais usuels et des essais triaxiaux entre 1,3 et 24 MPa de confinement à des températures allant jusqu'à 700ºC permettent d'identifier les paramètres d'un modèle de comportement de type élasto-plastique. Celui-ci reproduit la diminution du domaine de résistance suite à une dégradation d'origine exothermique. Ce programme expérimental a aussi mis en évidence le caractère fragile du béton subissant un traitement thermique et la non-applicabilité de deux critères de ruptures souvent utilisés dans le calcul d'ingénieur. Une alternative est proposée et testée. En effet, exposer le béton aux hautes températures résulte une perte irréversible de la raideur ainsi qu'à une perte de la résistance due à la décohésion. Ces pertes s'expriment, généralement, via des relations semi-empiriques des propriétés mécaniques fonction de la température. Or, ces relations sont inadéquates puisque l'impact direct de cette dégradation, à l'échelle macroscopique, peut se traduire par une relation de dépendance entre les propriétés élastiques et la masse des hydrates. Dans cet état de fait, contrairement aux méthodes traditionnelles qui utilisent les modèles conventionnels de l'élasto-plasticité et en faisant varier certains paramètres en fonction----------Abstract Concrete is the most widely used construction material in the world. Even though it has been used for several centuries, its behavior to high temperature remains to be understood. In the light of recent extreme events, including accidents, and arson, special attention has been focused on the performance of concrete in the fire safety assessment of buildings and tunnels. Fire represents one of the most severe conditions encountered during the life-time of a structure. Concrete exposed to high temperature can significantly jeopardize the structural integrity and load bearing capacity of the structure. Spalling of concrete remains one of the main issues to be addressed in the case of fire in buildings and tunnels. Successful modeling of this phenomenon depends not only on the accurate prediction of the temperature distribution through structural concrete but also on its mechanical response to the heating and boundaries restrains conditions and the migration of moisture and associated pore pressures. Therefore, it is necessary to develop a reliable formulation of concrete with all required information to understand its behavior during and after exposure to elevated temperature. It is also necessary to properly assess the effects of thermal degradation in order to develop predictive tools and validate design codes. Many structural problems can be adequately worthy by an elastoplastic model. The ultimate goal of this study is the development of a new constitutive model under a chemoplastic framework. To do this, an experimental program is carried out. The purpose of this program is twofold. First, it is essential to calibrate the proposed constitutive law that will be developed, and, second, for defining an inverse a problem. Usually, uniaxial and triaxial tests, conducted with confining pressure varied between 1.3 and 24 MPa and a temperature up to 700ºC, allow us to identify the constitutive law parameters. This law reproduces the reduced field strength due to degradation of exothermic origin. This experimental program puts emphasis on the fragile nature of the preheated concrete and demonstrates the non-applicability of two failure criteria often used in engineering calculation. An alternative is proposed and well-tested. Indeed, exposing the concrete to high temperature results in irreversible loss of stiffness as well as a loss of decohesion strength. These losses are, typically, expressed through semi-empirical relationships of the mechanical properties with temperature. Unfortunately, these relationships are inadequate because the direct impact of this degradation, on the macroscopic scale, can result in a dependency relationship between the elastic properties and the hydrates mass. Therefore, unlike traditional methods using conventional elasto-plastic models and adjusting certain parameters with local temperature, the proposed constitutive law that incorporates a function of dehydration similar to the softening index in chemo-plastics gives good results.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie mécanique
Dissertation/thesis director: Rachid Boukhili and Ammar Yahia
Date Deposited: 17 Jul 2013 11:13
Last Modified: 27 Jun 2019 16:49
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/1103/

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