Saint-Martin-d'Hères - Domaine universitaire

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Thématique

Le vieillissement des structures de Génie Civil entraîne d'importants questionnements économiques et écologiques quant au choix entre leur maintenance ou leur remplacement. C'est dans ce contexte que se justifie l'approfondissement des connaissances sur le comportement des matériaux cimentaires, de leurs mécanismes de dégradation à court et long terme ainsi que de leur comportement au sein d'une structure.
Ce domaine scientifique requiert des compétences interdisciplinaires : mécanique des milieux continus non linéaires, comportement des matérieux cimentaires, transferts de masses dans les milieux poreux, calcul numérique à haute performance.

Il est aujourd'hui clairement établi que les mécanismes de dégradation des structures en béton observés à l'échelle macroscopique trouvent leurs origines dans un ensemble de phénomènes physiques et chimiques qui s'opèrent à une échelle plus fine. Leurs conséquences à l'échelle macroscopique sont importantes et ont une influence notable sur la durabilité des structures et donc leur durée de vie.
Ce constat est la pierre angulaire de ce projet qui a pour but de renforcer les liens entre ces échelles.

Domaine

Le cadre du projet est le développement de méthodes numériques permettant de rendre compte du comportement mécanique des matériaux cimentaires en modélisant leur structure à différentes échelles. Les échelles retenues sont:

• Pour l'échelle fine : l'échelle mésoscopique (de l'ordre du mm) pour laquelle sont modélisées les hétérogénéités du matériau (agrégats et macro porosité) ainsi que des éléments d'armatures.
• Pour l'échelle macroscopique : l'échelle de la structure (de l'ordre de quelques décimètres) pour laquelle des sollicitations classiques d'éléments sont modélisées (poutres, poteaux, ...)

La modélisation du comportement mécanique rentre dans le cadre des modèles mésoscopiques [Wriggers, 2006] via l'utilisation d'une méthode Éléments Finis Enrichis adaptés aux matériaux hétérogènes quasi-fragiles [Roubin, 2015a]. Des campagnes expérimentales sous tomographie à RX ont permis de valider la pertinence de ces méthodes [Stamati, 2019] dans un tel cadre. Cependant, les ressources numériques nécessaires aux approches mésoscopiques contraignent les applications à des calculs à l'échelle du matériau.
 

Afin de pouvoir appliquer ce type de modèle à l'échelle de la structure, plusieurs approches sont envisageables :

• Des méthodes de réduction de modèle : le comportement de la mésostructure est projeté sur une base de modes propres obtenus par la POD.
• Des méthodes de couplage fort entre les échelles : le comportement de la mésostructure est homogénéisé numériquement aux points d'intégration du calcul macroscopique (méthode des « éléments finis au carré »).
• Des méthodes de décomposition de domaines : l'échelle macroscopique est « découpée » en plusieurs sous-domaines qui font l'objet de calculs mésoscopiques quasi-indépendants. À l'échelle de la structure, un unique calcul macroscopique grossier est nécessaire, permettant de contrôler les conditions aux limites de chaque calcul fin. Ceux-ci peuvent ainsi être distribués sur des ressources différentes (CPU, RAM).

L'impact de la mésostructure sur le comportement des structures de Génie Civil n'étant pas encore clairement identifié, c'est la méthode de décomposition de domaines qui est retenue dans ce projet. Contrairement aux deux autres approches présentées, elle conserve l'intégralité de la réponse à l'échelle fine au niveau de la structure, ce qui semble pertinent dans le cadre de la modélisation de propagations de fissures. Le développement de ces méthodes sera basé sur des algorithmes éprouvés depuis des décennies dans le cadre de l'élasticité linéaire et l'attention sera particulièrement portée sur le choix des fonctions d'interpolations entre les sous domaines (comme les méthodes « mortiers ») [Wohlmuth, 2001].

Objectifs

L'objectif de ce projet de thèse est de développer des méthodes de décomposition de domaines afin de pouvoir effectuer des calculs mésoscopiques rendant compte explicitement de la mésostructure et des éléments d'armature à l'échelle de la structure.

Le premier objectif est de travailler sur un verrou scientifique lié au couplage entre le modèle utilisé et les méthodes de décomposition de domaines. Il n'a pas encore été montré dans la littérature que les modes de rupture des matériaux cimentaires (fissuration), et plus généralement que les comportements non linéaires adoucissants, sont modélisables avec ces méthodes de décomposition. La problématique principale est de réussir à modéliser la propagation des fissures à travers plusieurs sous-domaines, sans modification due à la frontière. Des études préliminaires ont montré des signes prometteurs si les fonctions d'interpolation des problèmes d'interface sont bien choisies (mortiers) [Vallade, 2016].

Le deuxième objectif est d'appliquer ce cadre numérique à des calculs de structure, alliant ainsi, de façon innovante et directe, l'échelle mésoscopique et l'échelle de la structure. Des essais récents effectués sur des nouveaux types de renforts (câbles) pourront être une base de données expérimentales nécessaire à la validation du modèle [Colyvas, 2020].

Contexte

Dans le cadre de l'étude du comportement mécanique des matériaux cimentaires l'échelle mésoscopique porte une quantité importante d'informations liées à sa structure comme la géométrie et la topologie de la morphologie, les propriétés mécaniques de ses phases, les différents mécanismes de fissurations. Les modèles de simulation dits « mésoscopiques » s'intéressent à représenter ces informations aux échelles fines (résolution de l'ordre du millimètre) afin de les prendre en compte explicitement. Ainsi, ces modèles permettent d'adopter une démarche explicative afin d'analyser les conséquences de la mésostructure sur le comportement macroscopique du matériau qui émerge naturellement des simulations.

Les différentes phases matérielles de la mésostructure du matériau étant explicitement représentées (agrégats, porosité, pâte de ciment, ...), la phénoménologie nécessaire pour représenter un comportement donné est donc nécessairement moins complexe que celle employée par des modèles macroscopiques. Cependant, d'un point de vue technique, cet avantage est à mettre en opposition avec la complexité accrue de la méthode de calcul inhérente à la représentation de la mésostructure.

Parmi les problèmes rencontrés par ces approches, ce projet s'intéresse à réduire les coûts des simulations (le coût étant directement lié à la finesse de la discrétisation de la mésostructure) en adoptant des méthodes de décomposition de domaine. De telles approches permettraient, en réalisant des simulations plus performantes, de faire évoluer les problématiques qui peuvent être adressées vers deux échelles opposées : l'échelle de la structure (taille de l'ordre du mètre) et l'échelle microscopique (hétérogénéités de l'ordre du dixième de millimètre).

La mise en place de ces méthodes entraînera l'utilisation du supercalculateur régional (UMS Gricad, hébergé par l'UGA), voir national (Jean Zay).

Méthode

Plusieurs choix de méthodes sont nécessaires pour établir le cadre numérique de ce projet: a. le modèle morphologique nécessaire à la représentation des hétérogénéités de la mésostructure b. le modèle mécanique permettant de rendre compte de la fissuration du béton dans un cadre hétérogène c. la méthode de décomposition de domaines permettant d'effectuer les calculs à l'échelle de la structure.

1. Modèle morphologique: le modèle retenu est basé sur le principe d'excursions de champs aléatoires corrélés [Roubin, 2015b]. Il permet en effet de pouvoir assurer des conditions de continuité aux bords des sous domaines et de générer des morphologies aléatoires à plusieurs phases et à formes non idéales (entraînant ainsi des concentrations de contraintes plus réalistes).
2. Modèle mécanique : la méthode des Éléments Finis doublement Enrichis est retenue ici [Roubin, 2015a]. Développée par l'équipe encadrante depuis bientôt 10 ans, les récentes campagnes expérimentales ont montré la pertinence de son utilisation dans le cadre de la fissuration des bétons [Stamati, 2019].
3. Décomposition de domaines : la décomposition de domaines est à voir dans ce projet comme un moyen de communiquer entre l'échelle mésoscopique et l'échelle de la structure . Les différentes méthodes peuvent se regrouper en deux familles : les méthodes séquencés (communication unidirectionnelle de l'échelle macroscopique vers l'échelle fine) et les méthodes intégrées (communication dans les deux sens) [Feyel, 2001]. C'est dans ce dernier cadre que le modèle est utilisé et le raccord entre les est effectué afin d'assurer la continuité des déplacements et des contraintes entre les sous domaines (méthodes hybrides) [Allix et Gosselet, 2020].

Le développement du modèle mécanique a été pensé dans l'optique d'une stratégie multi-échelle et possède les moyens techniques de communication nécessaires à la décomposition de domaines (développement orienté composant, [Kassiotis, 2008]).
En mode de production, ces méthodes nécessitent l'utilisation de supercalculateurs au moins de la taille des supercalculateurs régionaux (politique encouragée par le CNRS) pour pouvoir analyser l'extensibilité des calculs (scalability). L'Université Grenoble Alpes héberge le super calculateur de notre région (Gricad) dont l'accès est ouvert à ce genre de projets académiques. La possibilité de rejoindre le super calculateur national (Jean Zay) géré par la société civile GENCI (Grand Équipement National de Calcul Intensif) est également envisagée.
 

Résulats attendus

• Lever le verrou scientifique relatif à la propagation de fissures macroscopiques en EF et en utilisant une méthode intégrée de décomposition de domaines.
• Appliquer la méthode à des éléments de structure en béton armé, jusqu'à la comparaison avec des essais issus de la littérature.
• Ouvrir des perspectives vers la modélisation mécanique de structures complètes jusqu'à rupture. Avec prise en compte des conditions environnementales (par exemple l'état hydrique). 

Références bibliographiques

1. [Wriggers, 2006] Mesoscale models for concrete: Homogenisation and damage behaviour, Finite Elements in Analysis and Design, 2006.
2. [Roubin, 2015a] Multi-scale failure of heterogeneous materials: A double kinematics enhancement for Embedded Finite Element Method, International Journal of Solids and Structures, 2015.
3. [Stamati, 2019] Tensile failure of micro-concrete: from mechanical tests to FE meso-model with the help of X-ray tomography, Meccanica, 2019.
4. [Wohlmuth, 2001] Discretization Methods and Iterative Solvers Based on Domain Decomposition, Lecture Notes in Computational Science and Engineering, 2001.
5. [Vallade, 2016] Modélisation multi-échelles des shales : influence de la microstructure sur les propriétés macroscopiques et le processus de fracturation, Thèse, 2016.
6. [Colyvas, 2020] Behavior of Reinforced Concrete Beams using Wire Rope as Internal Shear Reinforcement, Engineering, Technology & Applied Science Research, 2020.
7. [Roubin, 2015b] Mesoscale modeling of concrete: A morphological description based on excursion sets of Random Fields, Computational Materials Science, 2015.
8. [Feyel, 2001] Multi-scale non-linear FE2 analysis of composite structures: damage and fiber size effects, 2001, Revue européenne des ÉlémentsFinis : NUMDAM'00.
9. [Allix et Gosselet, 2020] Non intrusive Global/local coupling techniques in solid mechanics:  an introduction to different coupling strategies and acceleration techniques, Modeling in Engineering Using Innovative Numerical Methods for Solids and Fluids, 2020.
10. [Kassiotis, 2008] coFeap's Manual, LMT-Cachan internal, 2008.
11. [Stamati, 2020] SPAM: Software for Practical Analysis of Materials, Journal of Open Source Software, 2020.

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Some ceramic grades, such as silicon carbide (SiC) or alumina (Al2O3), are used as ballistic materials thanks to their excellent mechanical performances, such as their hardness, while being light, where weight gain is a major issue for the design of military equipment for personal and vehicle protection. Since the Vietnam War, ceramics have been largely used and integrated as front face in bilayer shielding to stop the threat of AP (Armour Piercing)-type projectiles during a ballistic impact. Nevertheless, the projectile leads to an intense damage in the ceramic due to, amongst other phenomena, a dynamic tensile loading that manifests by multiple cracking, called fragmentation, particularly unfavourable for the integrity of the ballistic protection and its capacity to deal with a second impact. In order to develop a more performing shielding material, it is essential to understand the link between the microstructure of ceramics, the damage generated under impact and their ballistic performances.

This thesis seeks to better understand the dynamic fragmentation phenomenon generated at high strain rates in high fracture-toughness ceramics, including a bio-inspired alumina material mimicking nacre microstructure. This artificial nacre is, a priori, more crack resistant than conventional ceramics as it is characterised by a high static fracture-toughness due to its specific “Brick-and-Mortar” (or BM) microstructure reproduced in the material called here MAINa.

Jury

* Image caption

Some major results from the PhD: steel core extracted from API-BZ bullet with MAINa microstructure observed in Scanning Electron Microscopy (chapter 2); comparison between the experimental force-displacement response along with the numerical response using the identified experimental law of the steel core (chapter 3); numerical simulation of the penetration process of the steel core (800 m/s) in a SiC ceramic, 56 μs after impact (chapter 4); dynamic cracking of MAINa microstructure, tested in two orientations of platelets during Rockspall tests (chapter 5); multiple fragmentation of MAINa samples (0° orientation) after both Edge-On-Impact test in sarcophagus configuration and tandem test with tomographic segmentation (chapter 6).

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J. Carlos Santamarina (Professor - KAUST) graduated from Universidad Nacional de Córdoba and completed graduate studies at the Universities of Maryland and Purdue. He taught at NYU-Polytechnic, the University of Waterloo and at Georgia Tech before joining KAUST in 2015. His research centers on the science of geomaterials and engineering solutions to address global energy challenges, with contributions from resource recovery to energy and waste geostorage. He delivered the 50th Terzaghi Lecture on Energy Geotechnology, was a British Geotechnical Association Touring Lecturer, and is member of both Argentinean National Academies. Former team members are professors at more than forty universities, researchers at national laboratories, or practicing engineers at leading organizations worldwide.

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Granular media and concrete are the ubiquitous natural and construction materials. X-ray tomography (XRT) has been used throughout the past three decades to qualitatively and quantitatively study the kinematics of deformation in these materials from meso- to microscales. However, quantifying the microscopic mechanisms of stress transmission and energy dissipation in these materials has traditionally been limited to 2D model materials or 3D numerical simulations. Such information can provide insight into the validity of microscopic contact laws, the statistics of forces and energy dissipation, and the pre- and post-failure load sharing within the materials’ microstructures.

In this talk, I will discuss experiments employing in-situ XRT and 3D X-ray diffraction (3DXRD) measurements during the deformation of 3D granular materials and cement. Using 3DXRD, each particle in the granular materials and cements acts as a stress gauge, providing both the local elastic stress tensors and the orientations of material points within the microstructure. I will highlight experiments with granular materials in which we quantitatively measured inter-particle forces, constitutive law parameters, per-particle fracture stresses, and energy dissipation mechanisms at each inter-particle contact. I will highlight an experiment on micro-concrete in which we quantified the stress distribution throughout the microstructure before and after fracture. I will discuss ongoing and future research directions in geomaterials with combined XRT and 3DXRD.

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This doctoral thesis investigates the impact of the meso-scale heterogeneities of concrete (aggregates and macro-pores) on its macroscopic mechanical response. A combined numerical and experimental approach is adopted to study the progressive evolution of the 3D fracturing processes of micro-concrete specimens under uniaxial tension, uniaxial compression and triaxial compression.

Part of the originality of this work lies in the exploration of multiple loading paths on concrete samples of realistic composition (including cement, sand, aggregates and water) and in the in-situ nature of the experiments conducted. The experimental campaign is performed inside an x-ray scanner, which allows the internal structure of the material to be non-destructively captured and its evolution from the intact (before loading) until the damaged (after unloading) state to be followed and quantified. The 3D images coming from the x-ray scans are first analysed in order to quantitatively describe the morphology of the meso-structure (aggregates, mortar matrix and macro-pores). A timeseries analysis of the set of 3D images coming from each in-situ test follows, which allows for the measurement of the 3D kinematic fields (displacement and strain fields) throughout the experiments.

On the numerical side, the identified morphologies coming from the intact x-rays scans are given as an input to a FE meso-model with enhanced discontinuities. The originality of the numerical simulations comes from their 3D nature and the consideration of the actual meso-structure of the micro-concrete specimens, based on the segmentation of the three phases of the material. After a calibration of the model in uniaxial tension, its predictive ability is challenged under different stress paths in compression. An extensive comparison is presented between experimental and numerical observations, in terms of macroscopic responses, displacement fields, fracturing processes and failure patterns. The typical asymmetric behaviour of concrete in tension and compression, as well as the increase of strength and ductility with the increase of confinement are sufficiently captured numerically. Starting from an x-ray scan, it is shown that the model is able to satisfactorily Sreproduce some of the basic characteristic features of the failure modes observed experimentally for the different loading paths studied.
While validating the numerical results and through a combination of numerical and experimental observations, the significant impact of the meso-scale heterogeneities on the local failure mechanisms is revealed. It is shown that, for the studied material, the shape and location of the largest aggregates and macro-pores are essentially driving the fracture patterns under simple tension, simple compression and triaxial compression. The good correspondence between experiments and model strongly suggests that the explicit representation of these heterogeneities is the key feature that allows the predictive power of the model. A further insight into the impact of the meso-structure is obtained by investigating virtual concrete morphologies, generated by modifying the real meso-structures coming from the x-ray scans.

Jury

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The main objective of the thesis is to improve our understanding of faceting occurring during dry snow metamorphism. The thesis focuses on the interplay between heat and mass diffusion, and kinetic effects in the context of snow. For the first time, Diffraction Contrast Tomography (DCT) has been performed to monitor an experiment of temperature gradient metamorphism. The technique permits retrieval of the crystalline orientation of the grains constituting the microstructure of the sample. Links between orientation of crystals and mass fluxes were analyzed.

The study shows that kinetic differences between basal and prismatic faces have effects on phase change fluxes at the ice/air interface. From a numerical modeling point of view, a highly anisotropic kinetic coefficient has been taken into account for the evolution of the ice/air interface. The model uses the phase-field approach and couples phase changes to heat and water vapor diffusion.

The model was compared to an experiment of air cavity migration under a temperature gradient in a monocrystalline ice block monitored with X-ray microtomography, and to the growth of a negative crystal during a pumping experiment followed with optical microscopy. Such anisotropy permits reproduction of the observed faceting.
Finally, the potential of the proposed model to describe snow metamorphism is highlighted.

Jury

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Earth construction is widely used in a lot of developing countries where they still are the main technique of construction despite the dominance of modern construction techniques in urban areas. Studying the seismic vulnerability of such structures is then crucial since many of them are located in highly active seismic zones. Therefore, this study focused on analyzing the behavior of earth constructions, more specifically the adobe walls, thanks to numerical and experimental methods.

Two experimental tests were developed for this study. The first one is a shake table which permits to do dynamic tests by reproducing real seismic events. An important effort was carried out in order to enhance the control of the table and to check its performance via signal analysis. Then, a steel structure prototype was used to check the behavior of the table with additional payload. The second test is a pseudo dynamic test, known as a hybrid test that combines numerical and experimental aspects. The same steel prototype was used to validate the test workability. Then, the feedbacks of both experiments were compared to the results of numerical simulations.

The last part of the work was dedicated to the vulnerability analysis of adobe walls under seismic loading. A numerical model based on previous quasi-static tests on two earth masonry walls was created in Abaqus. It was followed by a parametrical study to assess the effect of some material parameters on the wall behavior. Then a dynamic experimental test was carried out on an adobe wall using the shake table. The experimental results were then compared to numerical ones that were obtained based on material characteristics extracted from different experimental tests on the adobe and the mortar, and done at material scale. Dynamic tests performed on the adobe wall and the numerical work allowed to predict the wall response and to study the damage patterns. Additional works to enhance the experimental apparatus performance as well as the numerical models will be done in order to optimize the tools for seismic analysis that were developed in this study.

 

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