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43RAPPORT D’ACTIVITÉ 2006 | CHAPITRE 2
Regroupement d’opérations liées à des domaines scientifiques et techniques, l’orientation intitulée Développer les outils et méthodes du génie civil répond à un besoin fondamental pour le LCPC : acquérir les connaissances – notamment liées à l’expérience – utiles au développement des méthodes, outils et modèles mis au point dans le cadre de nombreuses opérations de recherche du Laboratoire.
Elle constitue, à ce titre, un véritable socle en matière de développement scientifique. On y retrouve ainsi différentes opérations concernant par exemple l’écoulement et la mise en œuvre des bétons ou les fondements physiques du comportement mécanique des matériaux dans les structures de chaussées.
Dans cet esprit, l’année 2006 a vu l’ouverture d’opérations de recherche concernant divers sujets tels que la rhéologie des sols et des roches, le calcul et le dimensionnement des structures de chaussées, la simulation numérique de matériaux hétérogènes à structure discrète ou encore les fondations et améliorations des sols.
Leurs apports contribueront notamment à une meilleure compréhension des phénomènes qui gouvernent le comportement des ouvrages neufs et son évolution dans le temps, dans un objectif d’optimisation de leur entretien. n
Développer les outils et méthodes du génie civil
THÈSES SOuTEnuES
Amortissement semi-actif des structures flexibles : application au contrôle des grands ponts souples
Othman Ben Mekki (MI)
Durabilité des assemblages collés du généie civil : étude du viellissement aux échelles micro et macroscopiques
David Gonzalez (PCM)
Durabilité des milieux poreux sous sollicitation thermo-hydro-mécaniques : application à la prédiction de l’écaillage des bétons
Antonin Fabbri (LMSGC)
Rhéologie des matériaux granulaires cohésifs - application aux avalanches de neige dense
Pierre Rognon (LMSGC)
Développement d’une méthode de prédiction des déformations de surface des chaussées à assises non traitées
Absamad El abd (MSC)
Contrôle de forme de structures composites
Saskia Jülich (LAMI)
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Contact [email protected] UMR Navier
Premiers résultats dans la simulation numérique du malaxage
La modélisation numérique des phénomènes à l’œuvre dans un malaxeur a pour objectif de contribuer à l’amélioration des procédés de malaxage. Entrepris en 2006, les premiers travaux portant sur cette nouvelle approche appréhendent la complexité du problème – un matériau polyphasique (grains, air, eau) qui se transforme, après un certain temps de malaxage, en un fluide à rhéologie non-linéaire et évolutive – par l’élaboration d’un code sur mesure de simulation d’écoulement. Les calculs effectués valident à la fois la démarche et le code, justifiant ainsi la poursuite des travaux.En effet, les premiers résultats simulent l’écoulement du béton frais, considéré comme un fluide viscoplastique homogène, dans des malaxeurs annulaire et planétaire. À l’issue de la simulation, on dispose de la vitesse et des contraintes dans le fluide, permettant ainsi d’analyser la structure de l’écoulement et de calculer des quantités globales mesurables en ligne afin de prédire l’état du malaxage.Une telle démarche peut permettre d’améliorer les procédés, notamment par un pilotage en ligne. n
Rhéologie et vieillissement des suspensions colloïdales : application à la mise en œuvre du béton
Les bétons autoplaçants (BAP) à l’état frais sont des matériaux thixotropes : très fluides en écoulement – donc faciles à mettre en œuvre –, ils sont néanmoins stables face à la sédimentation grâce à une consistance suffisante de la pâte de ciment au repos.
Avec le soutien du programme Jeunes chercheurs de l’Agence nationale de la Recherche, le LCPC a étudié en 2006 cette transition liquide/solide dans les matériaux thixotropes suivant plusieurs axes :• montrer l’influence des conditions de mise en œuvre
sur le comportement des matériaux thixotropes ;• prédire les contraintes exercées par un BAP sur les
parois d’un coffrage à l’issue de sa mise en place en fonction de la vitesse de coulage. Lorsque cette denière est faible, le matériau déjà mis en place se fige. Les parois reprennent alors une partie du poids du matériau, ce qui diminue l’effort exercé à la base du coffrage ;
• étudier le rôle des variables d’état des systèmes colloïdaux (densité, température, chargement) sur leur vieillissement au repos afin de proposer une adaptation la formulation des BAP aux conditions de mise en œuvre ;
• mettre en évidence le lien entre les évolutions du module élastique et du seuil de mise en écoulement avec la concentration en particules non colloïdales ajoutées dans des suspensions thixotropes. n
1.Structure d’un
écoulement viscoplastique
dans un système annulaire, vue de
dessus – intensité du taux de
déformation.
2.Rapport des
contraintes exercées sur les
parois d’un coffrage par un
BAP et de la pression
hydrostatique en fonction de la
vitesse de coulage : comparaison
modèles/ expériences.
Contact [email protected] Division Technologies du Génie civil et Environnement (TGCE)
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45RAPPORT D’ACTIVITÉ 2006 | CHAPITRE 2MÉTHODES ET OuTIlS InnOVAnTS Du gÉnIE CIVIl
Dispositif expérimental d’étude du fluage en traction des bétons
Le fluage en traction est au centre de la problématique de prédiction des risques de fissuration des structures en béton et constitue, à ce titre, l’un des axes de l’opération de recherche dédiée à la mesure de l’impact de la fissuration sur le comportement et la durabilité des structures.
Forte de son expérience dans l’expérimentation des comportements différés en compression des bétons et soucieuse de fournir au génie civil des outils et des méthodes d’analyse et de prédiction de ces risques, la division Bétons et composites cimentaires (BCC) du LCPC a développé en 2006 un matériel d’essai de fluage en traction. Cette réalisation a été rendue possible grâce à une collaboration pluriannuelle entre le LCPC et l’IRSN (1) dont le sujet est lié à l’étude de la fonction étanchéité des centrales nucléaires.Avec ce dispositif, qui vient enrichir les matériels existants dédiés au fluage en compression, le Laboratoire dispose désormais, pour l’étude du fluage
des bétons, d’un ensemble expérimental cohérent qui permettra d’obtenir les données nécessaires à la modélisation des phénomènes. n
(1) Institut de Radioprotection et de Sûreté nucléaire.
Comportement des interfaces et modélisation des pieux sous charge axialeLorsque deux solides possédant chacun des caractéristiques de déformabilité très différentes sont en contact, une zone de discontinuité cinématique, l’interface, se développe entre eux, suite au contraste des propriétés mécaniques qui caractérisent chacun des matériaux constitutifs. Ce problème typique
d’interaction sol-structure, où l’amorçage d’une rupture est souvent observé à l’interface, concerne notamment les pieux battus ou foncés.En se basant sur les résultats expérimentaux relatifs à la caractérisation du comportement mécanique de ceux-ci au cours des deux dernières décennies, le LCPC a proposé une nouvelle méthode de modélisation par éléments finis d’essais de chargement. Celle-ci met l’accent sur les effets d’installation, qui influencent fortement la capacité portante des pieux battus ou
1.Bâti de fluage.Crédit photo : Hugues Delahousse/LCPC.
2.Comparaison des prévisions du modèle MEPI-3D et des résultats expérimentaux : essais d’interface à contrainte normale constante à la boîte de cisaillement direct modifiée.
Contacts [email protected] [email protected] Division Bétons et Composites cimentaires (BCC)
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Contact [email protected] [email protected] UMR Navier - Laboratoire des Matériaux et structures du Génie civil (LMSCG)
Simuler le tamisage des grains de sable
Les travaux menés par la division Technologies du génie civil et environnement (TGCE) sur la recherche d’une loi de passage entre granularité et tamis à partir de la caractérisation ombroscopique des granulats ont fait émerger le besoin de simuler numériquement le passage d’un assemblage de granulats à travers une succession de tamis soumis à des vibrations.Un programme de simulation numérique des milieux granulaires tridimensionnels a été developpé à partir de la méthode de simulation A-CD2 (Atomized Contact Dynamics respecting Clausius Duhem’s inequality). Au cours de l’année 2006, celui-ci a été adapté aux besoins de la simulation du tamisage avec l’intégration, dans sa bibliothèque, d’une nouvelle forme de particules permettant de modéliser les grains de sable. Six tamis superposés ont été définis de manière à modéliser l’écoulement d’une collection de grains à travers une colonne de tamis. Afin d’en permettre la vibration de manière similaire à l’expérience de tamisage, le programme a été amélioré et permet, en l’état actuel, de simuler le tamisage d’un échantillon de plusieurs centaines de grains de formes et de tailles différentes. n
foncés et sont rarement pris en compte dans les modélisations numériques utilisant la méthode des éléments finis.Cette nouvelle méthode tient compte, d’une part, des résultats d’études disponibles dans la littérature sur les effets d’installation d’un pieu et, d’autre part, du comportement de l’interface sol-pieu décrit dans le cadre de la théorie de l’élastoplasticité. Validée via l’analyse d’essais de pieux modèles en chambre d’étalonnage et sur site réel ainsi que de pieux en vraie grandeur, elle ouvre de nouvelles perspectives quant à l’utilisation de la méthode des éléments finis pour le calcul des fondations profondes. n
Contact [email protected] Division Mécanique des Sols et des Roches et Géologie de l’Ingénieur (MSRGI)
Contacts [email protected] Division Métrologie et Instrumentation (MI)
t t t Contrôle semi-actif
Les grands ponts à haubans ou suspendus, de plus en plus flexibles, deviennent très sensibles aux agressions comme le vent et les séismes contre lesquelles il importe de les protéger notamment pendant leur construction. Plutôt que de renforcer et de rigidifier la structure, on souhaite s’y opposer en produisant des forces de réaction adaptées à la réponse de la structure. Les amortisseurs à masse accordée (TMD), aujourd’hui classiquement utilisés (Normandie, Millenium...), pompent l’énergie vibratoire du pont et la dissipent. Mais leur performance reste très sensible au réglage de leurs paramètres et leur efficacité se dégrade beaucoup lorsque la structure ou le type de chargement évolue. En construction, on leur préfère des versions actives, l’actionneur permettant une adaptation en temps réel aux évolutions de la structure et des sollicitations. Cependant, le contrôle actif requiert une source d’énergie importante. On a donc cherché à adapter en temps réel les paramètres d’un TMD de manière à rendre sa performance indépendante de l’évolution de la structure et du type de chargement et sans recours à une source d’énergie. Dans le cadre de sa thèse en cotutelle avec l’université de Tor Vergata, Othman Ben Mekki a montré par des calculs et des expériences que cet objectif est atteignable grâce à un TMD pendulaire et à un alternateur électromécanique dont on adapte en temps réel la résistance électrique selon une loi de contrôle non-linéaire. Charger progressivement la maquette de pont en construction du LCPC à son extrémité libre par des masses de plusieurs kilos modifie considérablement les modes de la maquette et notamment celui sur lequel l’amortisseur a autorité. On constate néanmoins que la méthode et le dispositif permettent à la maquette de pont de s’amortir de façon indépendante du chargement appliqué. n
