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Theses Year : 2015

Contribution to the study of the time-dependent strains of viscoelastic composite materials

Contributions à l'étude des déformations différées des matériaux composites viscoélastiques

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Francis Lavergne

Abstract

Prestress losses due to creep of concrete is a matter of interest for long term operations of containment buildings. In the present study, the time-dependent strains of concretes are estimated starting from morphological details of the microstructure. X-ray tomography provide a new way to spot such details and 3D numerical simulations are performed to estimate the time-dependent strains. Concrete is described as a composite material made of aggregates embedded in a cementitious matrix. On X-ray tomography images, aggregates can be separated from the cementitious matrix and entrained air. But extracting morphological parameters remains a difficult task. Nevertheless, building numerical matrix-inclusion microstructures and performing 3D numerical simulations proved a reliable way to estimate the influence of morphological features such as a the volume fraction of aggregates or the sieve curve on the time-dependent strains of concretes. Moreover, the semi-analytic homogenization scheme of Sanahuja dedicated to linear aging viscoelastic composite materials has been extended to the case of ellipsoidal inclusions to study the influence of the aspect ratio of the aggregates on the time-dependent strains of concretes.3D numerical estimates of the overall time-dependent behavior of concrete are similar to the ones produced by semi-analytical homogenization schemes. Hence, explaining the differences between the experimental measurements of the time-dependent strains of concretes performed by Granger remains challenging given the similarities between their mix designs. Lastly, 3D numerical simulations are performed on a sample of concrete to estimate the local stress in the cementitious matrix, the history of loading being representative of the one experienced in a containment building
L'estimation des pertes de précontrainte liées aux déformations différées des bétons est un sujet d'intérêt pour la maintenance à long terme d'ouvrages de génie civil tels que les enceintes de confinement des centrales nucléaires. L'objectif de ce travail de doctorat est d'améliorer la prise en compte des particularités morphologiques de la microstructure des bétons pour estimer le comportement à long terme des bétons précontraints. Cette étude est limitée au cadre de la mécanique des matériaux et à la théorie de l'homogénéisation : le béton y est décrit comme un matériau composite constitué de granulats élastiques enchâssés dans une matrice cimentaire viscoélastique linéaire vieillissante. Les outils novateurs mis en œuvre sont la tomographie par rayons X et la simulation numérique 3D.On distingue sur les images de tomographie les granulats, la matrice cimentaire et l'air occlus. Mais l'extraction de données morphologiques de ces images est une tâche difficile à systématiser. En revanche, la construction numérique de microstructures matrice-inclusions et la simulation numérique 3D en viscoélasticité linéaire se sont montrées assez robustes pour permettre l'étude de l'influence de paramètres morphologiques (fraction volumique, granulométrie et forme des inclusions) sur le comportement macroscopique estimé. Le schéma d'homogénéisation semi-analytique de Sanahuja dédié aux matériaux composites viscoélastiques linéaires vieillissants a été étendu aux cas d'inclusions ellipsoïdales pour étudier l'influence du rapport d'aspect des inclusions sur le comportement viscoélastique vieillissant d'un béton. Les estimations du comportement macroscopique par les simulations numériques 3D restent proches de celles obtenues par les schémas d'homogénéisation semi-analytiques. Ainsi, il reste difficile d'expliquer la dispersion des résultats expérimentaux de Granger par l'homogénéisation, dans la mesure où les bétons de Granger ont des formulations similaires. Enfin, les simulations numériques 3D permettent l'estimation des contraintes dans la matrice cimentaire lorsque l'on impose à un échantillon de béton une histoire de chargement similaire à celle rencontrée sur les ouvrages
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tel-01300510 , version 1 (11-04-2016)

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Cite

Francis Lavergne. Contributions à l'étude des déformations différées des matériaux composites viscoélastiques. Matériaux. Université Paris-Est, 2015. Français. ⟨NNT : 2015PESC1171⟩. ⟨tel-01300510⟩
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